Kovy ve vašem mobilu

V tomto článku bude řeč o malé placaté věci, bez níž si leckdo už ani nedokáže představit svůj život – ano, o mobilním telefonu. Řekne-li se „kov a mobilní telefon“, vybaví se řadě lidí hliník. Vždyť nejvíc cool mobily ve vlastnictví teenagerů mají zadní plášť právě z tohoto prvku, což jim kromě stříbřitého vzhledu dodává i téměř perfektní mechanickou odolnost.

Mnoho z nás má povědomí také o lithiu ukrytém v lithiových bateriích, které slouží k napájení telefonu. Po internetu koluje řada videí ukazujících, jak nabitá baterie po proražení exploduje v kouli karmínového plamene – ne, opravdu tyto experimenty nezkoušejte, jsou velmi nebezpečné!

Excelentní vodiče

Elektrotechnicky zdatnější čtenáři si vzpomenou na nejlepší vodiče elektrického proudu – měď, stříbro a zlato. Ty musí mít své místo i v mobilním telefonu, podobně jako ve skoro každém elektronickém zařízení. Asi jste zachytili kampaň zoologických zahrad na ochranu goril nížinných, která vyzývá k odevzdávání starých a nepoužitelných telefonů k recyklaci.

V jednom mobilu se ukrývá kolem 25 miligramů zlata a zhruba desetkrát tolik stříbra, což znamená asi 150 gramů zlata na tunu telefonů. Uvědomíme-li si, že v přírodních ložiscích se ekonomicky vyplácí těžba zlata při obsahu zhruba 5 gramů na tunu horniny, vidíme, že staré mobilní telefony jsou skutečně bohatým „ložiskem“ drahých kovů. O recyklačních technologiích se proto mluví jako o městské těžbě (anglicky urban mining). Odhaduje se, že surovinová zásoba uschovaná v českých domácnostech je asi 8 milionů nepoužívaných telefonů. To odpovídá 200 kilogramům zlata.

Nakonec ještě oprava drobného tradovaného omylu. Zlato není nejlepší elektrický vodič, tím je stříbro; a i měď má odpor asi o 25 % nižší než zlato. Pořadí jednotlivých kovů podle vodivosti je tedy stříbro – měď – zlato. Zlato se používá spíš pro své unikátní mechanické vlastnosti v tenkých vrstvách, kdy je ideálním materiálem na výrobu spínacích destiček.

Tyto prvky ale zatím nesplňují podmínku zmíněnou v podtitulku – že jste o nich možná nikdy neslyšeli.

Gallium a indium: polovodiče i displeje

Málokdo ví, že v elektronice mají nezastupitelné místo i kovy, které sice nejsou tak vzácné jako zlato, ale z přírodních zdrojů se mnohdy získávají obtížněji nebo je jejich výskyt omezený jen na několik světových nalezišť.

V řadě polovodičových součástek je původně používaný křemík nahrazován takzvanými polovodiči typu III-V. Jedná se o sloučeniny prvků ze třetí a páté skupiny periodické tabulky. Tyto sloučeniny mají ve své krystalové mřížce (v přepočtu na jeden atom) stejně elektronů, jako je v mřížce křemíku. Křemík patří mezi prvky čtvrté skupiny, a má tedy ve vazebné elektronové sféře čtyři elektrony. Shodný počet dostaneme zkombinováním prvků se třemi a pěti elektrony. Výhoda polovodičů typu III-V oproti křemíku tkví v jejich lepších mechanických vlastnostech a lépe laditelných vlastnostech elektrických. Jde především o arsenidy gallia a india, GaAs a InAs.

Vzácnější z těchto dvou kovů, indium, má ještě další využití. Cínem dopovaný oxid inditý (ITO, indium-tin oxide) je průhledný a elektricky vodivý. Slouží proto jako povrchová vrstva v dotykových displejích pracujících na takzvaném kapacitním principu, kdy při kontaktu displeje s vodivým objektem – například prstem – dojde k uzavření elektrického obvodu. Vodivosti ITO se využívá i při povrchové úpravě protinámrazových skel, s nimiž se můžeme občas setkat v zadních oknech automobilů nebo v pilotních kabinách letadel.

Ačkoliv je india v zemské kůře asi 30× více než zlata, při jeho současné spotřebě budou světové zásoby vyčerpány odhadem za několik desítek let. Bez důsledné recyklace by tak lidstvo brzy ztratilo možnost tento kov používat.

Niob, tantal a gorily

Vraťme se teď ke gorilám. Existují totiž další prvky, které jsou se životem goril spojeny mnohem více než všechny dosud zmíněné. Jedná se hlavně o niob a tantal, vynikající kovy pro výrobu mikrokondenzátorů s velkou elektrickou kapacitou. Miniaturizace těchto součástek je předurčuje k použití v malých zařízeních, jako jsou právě mobilní telefony.

Hlavní ruda obou kovů se nazývá koltan. Je to minerál proměnlivého složení, označovaný podle místa nálezu nebo obsažených prvků také kolumbit, niobit či tantalit. Chemicky jde o směsný oxid niobu, tantalu, železa, manganu, uranu a jiných kovů. Koltan se vyskytuje v rovníkové Africe, zejména v Kongu, kde jeho technologicky zastaralá (místy navíc nelegální) těžba výrazně poškozuje životní prostředí a likviduje přirozené biotopy goril. Proto je hlavní náplní projektu zoologických zahrad „Přineste starý mobil – podpořte strážce pralesa“ finanční pomoc rezervaci Dja v sousedním Kamerunu, kam směřuje 10 korun za každý odevzdaný telefon.

Lanthanoidy: málo známé, ale strategicky důležité

Významnou skupinou kovů, bez kterých se dnešní elektronika neobejde, jsou lanthanoidy. Říká se jim také vzácné zeminy, přestože nejsou zas až tak vzácné. I nejméně hojného z nich, lutecia, je v zemské kůře asi 200× více než zlata. Jejich významnými zdroji jsou „monazitové písky“ (fosforečnanové minerály proměnlivého složení s různým obsahem jednotlivých lanthanoidů) a nerozpustné směsné uhličitany a fluoridy.

Při pohledu na periodickou tabulku prvků obvykle nevěnujeme lanthanoidům moc pozornosti. Tvoří totiž horní řádek takzvaného f-bloku, umístěného pod hlavní částí tabulky. Nakonec i vysokoškolští studenti chemie mají se zapamatováním těchto prvků často problémy a jejich znalosti končí brzy po začátku mnemotechnické věty „Laciné Ceny Prasat Nedovolily…“

Už v prvních slovech se ale skrývá jeden klíčový lanthanoid používaný v elektronických zařízeních. Je to neodym (Nd), základ moderních neodymových magnetů, které nejspíš všichni znáte. Tyto extrémně silné magnety unesou zhruba tisícinásobek své hmotnosti. I když se jmenují neodymové, nevyrábějí se z čistého neodymu, ale z látky s chemickým složením Nd₂Fe₁₄B. Bez silných magnetů by nefungovaly reproduktory, neodym proto hledejte ve sluchátku mobilního telefonu.

Studenti, kteří si pamatují zbytek oné mnemotechnické pomůcky – „… Prométheovi Smést Europu, Gdyž Théby Dýchaly Horkou Erotickou Tmou Ybišku Lučního“ –, znají ještě další lanthanoidy často využívané v elektronice. Jde o europium (Eu), terbium (Tb) a ytterbium (Yb). Všechny tři prvky byste našli už ve starších počítačových monitorech a televizních obrazovkách jako složky takzvaných luminoforů. Tyto materiály, vykazující silnou luminiscenci (světélkování), zde sloužily k rozsvěcování obrazových bodů neboli pixelů. Obdobně i některé typy telefonních displejů spoléhají na luminiscenční vlastnosti europia, terbia a ytterbia.

Čína proti zbytku světa

Hlavním producentem lanthanoidů je dnes Čína, přesněji čínský důlní komplex Bayan Obo. Všechny lanthanoidy mají velmi podobné chemické vlastnosti, což ztěžuje jejich separaci, tedy oddělení jednotlivých prvků. Navíc bývají doprovázeny thoriem, jehož radioaktivita dál komplikuje zpracování vytěžených rud. V Bayan Obo se používají levné technologie dobývání a separace, které značně škodí životnímu prostředí. Díky těmto technologiím se ovšem Čína stala největším producentem vzácných zemin, protože ostatní dodavatelé nedokázali konkurovat jejím nízkým cenám.

Svého monopolního postavení na světových trzích začala Čína bohužel zneužívat k omezování exportu a zvyšování cen. Některé země proto přemýšlejí o zahájení nebo obnovení těžby na jiných nalezištích. Významným ložiskem je třeba kalifornský důl Mountain Pass, velké zásoby lanthanoidů má Grónsko, zvažuje se i dobývání z hlubokomořských sedimentů blízko Havaje a Tahiti. Vědci rovněž vyvíjejí metody, jak získávat lanthanoidy z odpadních vod hutnických provozů.