Co Nagroda Nobla ma wspólnego ze smartfonami? Wynalazki i osiągnięcia noblistów w codziennym użytkowaniu

Tanio i bez fajerwerków, czyli pożytki z baterii litowo-jonowej

Lata 90. dały nam nie tylko Super Nintendo, SMS-y czy Beverly Hills, 90210. To także wówczas po raz pierwszy na rynku pojawiły się akumulatory, które dziś spotykamy w smartfonach, laptopach czy hulajnogach elektrycznych, a w przyszłości mają się one upowszechnić w samochodach czy nawet samolotach. Mowa o bateriach litowo-jonowych. Ze względu na swój niewielki ciężar nadają się one w sam raz do urządzeń mobilnych, charakteryzują się także dużą wytrzymałością.

W sprzedaży po raz pierwszy pojawiły się w produktach Sony w 1991 roku, jednak ich historia jest dłuższa i sięga lat 70. Wtedy właśnie pierwszy z tegorocznych noblistów – M. Stanley Whittingham – odkrył, że dwusiarczek tytanu jest doskonałym materiałem jeśli chodzi o przechowywanie jonów litu, odznaczający się z kolei łatwością w oddawaniu elektronów. Wykorzystywał go więc do tworzeniach katod w bateriach litowych. Jakkolwiek miały one tę zaletę, że można je było ponownie ładować, były drogie w użyciu, a przy uszkodzeniu groziły wybuchem.

Tu na scenę wkroczył laureat numer 2, czyli John Goodenough. To właśnie on zauważył, że katoda na bazie tlenku metalu będzie miała większy potencjał. Efektem jego prac było wykorzystywanie tlenku kobaltu i podwojenie potencjału do 4 V. Powstały akumulator był jednak w dalszym ciągu drogi i niebezpieczny w użytkowaniu.

Rozwiązanie przyniósł w 1985 roku Akira Yoshino. Zamiast anody z reaktywnego metalicznego litu wykorzystał opartą na materiale węglowym (koksie naftowym). Znikało w ten sposób ryzyko wybuchu, a otrzymana w rezultacie bateria była zarówno lekka, jak i wytrzymała. Tym samym nadawała się do produkcji masowej i sprzedaży.

Jak podano w uzasadnieniu, Whittingham, Goodenough i Yoshino stworzyli przez swoją pracę odpowiednie warunki dla bezprzewodowego i wolnego od paliw kopalnianych społeczeństwa. Łączna wartość nagrody dla trzech uczonych to 9 milionów koron szwedzkich (czyli ponad 3 i pół miliona złotych).

Polimerze, przewódź!

Tegoroczna Nagroda Nobla z chemii nie jest pierwszą, która może zainteresować geeka i gadżeciarza. W 2000 roku nagrodzone zostało inne chemiczne trio – Hideki Shirakawa, Alan G. MacDiarmid i Alan J. Heeger. Panowie laureatami zostali za odkrycie i badania nad polimerami zdolnymi do przewodzenia prądu elektrycznego. Rezultaty takie otrzymali poprzez wystawienie poliacetylenu – nad którym wcześnie pracował sam Shirakawa – na działanie bromu i jodu, co powodowało wzrost przewodnictwa do poziomu spotykanego w miedzi.

Gdzie możemy się spotkać z polimerami przewodzącymi? Na przykład w wyświetlaczach OLED w smartfonach czy laptopach, gdzie spełniają rolę półprzewodników (wykorzystuje się tutaj tzw. polimery przewodzące po głównym łańcuchu, gdzie przewodnictwo odbywa się jak w metalach). Będą one również wykorzystywane w melodii przyszłości, jaką są zwijalne ekrany.

Dioda w dżinsowym kolorze blue

Oświetlenie LED spotkamy dziś niemal na każdym kroku. Wypiera ono tradycyjne żarówki i świetlówki, spotykamy je w laptopach czy smartfonach. A choć diody elektroluminescencyjne powstały już w latach 50., dopiero w latach 90. udało się stworzyć diodę niebieską. Wraz z nią możliwe było uzyskanie lamp LED-owych, emitujących białe światło (poprzez połączenie trzech barw – zieleni, czerwieni i właśnie błękitu). Wynalazcami byli Shuji Nakamura oraz (pracujący równolegle z nim) Hiroshi Amano i Isamu Akasaki, którzy za swoje osiągnięcie Nobla z fizyki odebrali w 2014 roku

Próby z niebieskimi diodami były podejmowane już wcześniej. Dzieło trójki uczonych wyróżniała jednak wysoka efektywność i energooszczędność. Podczas gdy standardowa żarówka wystarcza na tysiąc godzin, LED świeci się do aż stu razy dłużej. Lampy oparte na takich diodach można także łatwo naładować za pomocą energii słonecznej, co – zdaniem Komitetu Noblowskiego – ułatwia życie ponad miliarda osób żyjących bez stałego dostępu do prądu. A trójce uczonych można podziękować także za niebieski laser, wykorzystywany m.in. w odtwarzaczach Blu-Ray czy drukarkach laserowych.

Pomóż mi, holografio, jesteś moją nadzieją

Geekom hologram kojarzy się zapewne z księżniczką Leią zwracającą się do Obi Wana za pomocą R2D2 czy holodekiem na U.S.S. Enterprise. Tymczasem z holografią mamy do czynienia także podczas płacenia za zakupy. Wirujące zwierciadła holograficzne są bowiem używane w kasach do przesuwania lasera po kodzie paskowym, a na banknotach znajdziemy przecież zabezpieczające naklejki holograficzne. Jako przyszłość nośników optycznych wskazywane są płyty HVD, które mogą pomieścić do 6 TB danych. W 2018 roku na rynek trafił z kolei pierwszy smartfon zapowiadany jako wykorzystujący holograficzny ekran – RED Hydrogen One (przy czym końcowy efekt pozostawiał nieco do życzenia).

Twórcą i pionierem holografii był Denis Gabor, nagrodzony Noblem z fizyki w 1971 roku. Podczas prowadzenia pod koniec lat 40. badań nad udoskonaleniem mikroskopu elektronowego uzyskał trójwymiarowe obrazy, które można uznać za pierwotne hologramy (to także on wymyślił nazwę). Na szerszą realizację jego zamysłu trzeba było czekać do lat 60. i wynalezienia lasera (Gabor korzystał z lampy rtęciowej z filtrem wąskopasmowym).

Głowy na tranzystorach (i układach scalonych)

Przedstawiając rozmaite produkty elektroniczne (nie tylko dostępne w ofercie x-kom) piszemy często o ich kompaktowych rozmiarach. Postępująca miniaturyzacja sprzętu to m.in. efekt wynalezienia tranzystora i – w dalszej kolejności – układu scalonego. Pierwszy z nich stanowił elektrodowy element półprzewodnikowy, który wyparł pochłaniające duże zasoby energii, a przy tym zawodne lampy elektronowe sporych rozmiarów. Drugi pozwolił na integrację poszczególnych elementów elektronicznych, jeszcze bardziej popychając proces miniaturyzacji, jak również zmniejszając koszty przy zwiększeniu wydajności. A o tym, co zaważyło na kosmicznej karierze scalaka, dowiecie się z artykułu: Układ scalony, czyli co nam dało lądowanie na Księżycu.

Ani tranzystor, ani układ scalony jednak z kosmosu nie spadły. Twórcami pierwszego byli William B. Shockley, Walter H. Brattain oraz John Bardeen, laureaci Nobla z fizyki za rok 1956 (Bardeen, jako jedyna osoba w historii, dostał go później jeszcze raz w tej samej dziedzinie – w 1972 roku, za sformułowanie z Leonem Cooperem i Robertem Schriefferem teorii nadprzewodnictwa). Fizycznego Nobla za układ scalony odebrał natomiast w 2000 roku Jack Kilby (choć warto wspomnieć, że równolegle z nim wynalazku dokonał Robert Noyce, wymieniany obecnie jak współtwórca scalaka).

Źródło: The Nobel Prize, Nauka w Polsce, EURACTIV.pl, Sony, Wyborcza.pl, Nature, BBC News, Open Mind, The Verge, CNET, Computerworld

Maciej Gaździcki

007 zgłoś się. Oto jest, Maciej, agent do zadań specjalnych. Za dnia doktor historii literatury wyspecjalizowany w mediewalizmie i MacGyver copywritingu.