大猩猩玻璃：智能手機的無名英雄

編譯 岳厚汝

詹姆斯·麥肯齊（James McKenzie）熱衷于那些不經(jīng)意間對生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的意外發(fā)現(xiàn)。例如：由 3M開發(fā)的非黏性膠水促進(jìn)了便利貼的使用；威廉·倫琴 （Wilhelm R?ntgen） 發(fā)現(xiàn)的 X 射線是對診斷醫(yī)學(xué)技術(shù)的革新；美國雷神公司的物理學(xué)家珀西·勒巴隆·斯賓塞（Percy Lebaron Spencer）在偶然發(fā)現(xiàn)雷達(dá)裝置發(fā)出的微波可以融化口袋里的巧克力后研發(fā)了一種新型烤箱。

像這樣的偶然發(fā)現(xiàn)說明了為什么研發(fā)“目標(biāo)性”產(chǎn)品也許并不總是一個好主意，因為這類投機或試錯實驗的優(yōu)勢在于它們可以帶來難以預(yù)測的新發(fā)現(xiàn)。比如美國化學(xué)家史蒂芬妮·克沃萊克（Stephanie Kwolek）在1964年為杜邦公司工作時，在尋找一種用于輪胎的堅固新型輕質(zhì)纖維時發(fā)明了凱夫拉纖維（一種合成纖維）。

但本文論述的重點放在紐約州北部的康寧玻璃工廠。早在 20世紀(jì)40 年代初，該公司就對玻璃這種所謂的透明材料很感興趣，他們發(fā)現(xiàn)如果長時間將玻璃暴露在太陽的熱量和光線下，它會變暗和變色。康寧公司的化學(xué)家羅伯特·道爾頓（Robert Dalton）將透明紅寶石玻璃樣品暴露在紫外線下，烘烤后發(fā)現(xiàn)玻璃出現(xiàn)不同深淺的顏色。另一位化學(xué)家唐納德·斯圖基（Donald Stookey）于 1940 年參與探索這種奇妙的新型感光玻璃在攝影領(lǐng)域的應(yīng)用，最終催生了一種透明的鋁硅酸鹽玻璃，它會在包含微量的金、銀或銅的情況下變得感光。斯圖基發(fā)現(xiàn)甚至可以對其進(jìn)行3D設(shè)計蝕刻，然后將這種玻璃以“照片”的形式出售，后來其也被用作電子封裝材料和彩色電視機的孔徑掩模。

真正的神來之筆發(fā)生在 1953 年，當(dāng)時斯圖基想要將玻璃加熱到 600℃，然而熔爐出現(xiàn)了故障，錯誤地將玻璃加熱到 900℃。當(dāng)他試圖用鉗子從熱烘箱中取出樣品時，樣品不慎滑落摔在了地板上，但神奇的是，玻璃并沒有破碎，而是發(fā)生了反彈。

于是斯圖基創(chuàng)造了一種包含分散在各處的不同形狀和大小微晶體的新型玻璃材料——玻璃陶瓷，隨后的工作促使康寧公司將這種材料開發(fā)成享譽盛名的康寧廚具系列，如燉鍋和烹飪鍋。它們具有很好的耐熱沖擊性能——即使直接將其從冰箱移到熱烤箱中也不會破裂。基于此，康寧鍋具躋身成為斯圖基價值數(shù)百萬美元的發(fā)明之一。

獨特的混合物

斯圖基帶領(lǐng)的團(tuán)隊偶然發(fā)現(xiàn)的這種具有獨特特性的耐高溫微晶玻璃，其商品名是Pyroceram，不僅耐熱，而且非常堅硬。這種材料還被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，例如用于導(dǎo)彈的超音速雷達(dá)頭錐。后來，在20世紀(jì)60年代，康寧公司開發(fā)了一種新的Pyroceram材料，這種材料是不反光的，但是對可見光是透明的。

該公司最初擔(dān)心它會影響康寧自 1915 年以來一直很有競爭力的 Pyrex 系列硼硅酸鹽玻璃器皿的銷售，故選擇不將這種新產(chǎn)品商業(yè)化。但到20世紀(jì)70年代，研究人員通過申請專利開發(fā)了一種琥珀色的Pyroceram版本，后又衍生出一系列新的廚具，并以“愿景”品牌命名。

與此同時，作為公司“肌肉計劃”的一部分，康寧一直在探索如何使玻璃更堅固。大多數(shù)玻璃可通過加熱到高溫后迅速冷卻來強化其硬度，因為回火過程中外部的冷卻速度會比內(nèi)部快得多，這個過程被稱為鋼化。這樣的溫度梯度使玻璃內(nèi)部處于張力狀態(tài)并壓縮外表面，這樣鑄造而成的玻璃更堅固，不太可能出現(xiàn)微觀裂縫和缺陷。

然而，隨著玻璃厚度的減少，想要在玻璃內(nèi)部和表面之間建立顯著的冷卻速率差異變得更加困難。20世紀(jì)60 年代，研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)了一種強化玻璃的化學(xué)方法，即用化學(xué)介質(zhì)中的較大離子替代玻璃中的較小離子。在這種“離子交換”過程，玻璃表面被高度壓縮，因此不易損壞和引入可能使其破裂的應(yīng)力。

這種強化玻璃以Chemcor命名銷售，直到20世紀(jì)90年代初，一直用于各種商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用，包括汽車擋風(fēng)玻璃、飛機、藥瓶、監(jiān)獄窗戶、安全眼鏡和電話亭。但一切都在2007 年1月發(fā)生了變化。

進(jìn)入智能手機

跌落測試：康寧研發(fā)人員通過從2米高空使屏幕跌落到堅硬、粗糙的表面上來檢查屏幕硬度

那年蘋果公司的首席執(zhí)行官史蒂夫·喬布斯 （Steve Jobs） 在舊金山舉行的“蘋果世界”大會上登臺亮相，并推出了一款革命性的新設(shè)備——第一代蘋果手機（iphone）。在那之前，智能手機一直被認(rèn)為是笨重、丑陋的，配置的鍵盤也很復(fù)雜，而這款新推出的3.5英寸 iPhone是首次為客戶提供帶有內(nèi)置攝像頭和網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能的光滑觸摸屏設(shè)備。

但是，在喬布斯激動地向世界展示這款設(shè)備的第二天，他就抱怨一直放在口袋里的iPhone屏幕上出現(xiàn)了小劃痕，這是因為當(dāng)天展示的iPhone原型機屏幕是塑料的，雖然其擁有高機械強度，但也很容易劃傷。幾年前，康寧曾向喬布斯展示了公司的玻璃技術(shù)，于是距iPhone上市僅剩五個月時，喬布斯堅持iPhone必須配備玻璃屏幕。

據(jù)蘋果公司首席運營官杰夫·威廉姆斯（Jeff Williams）回憶，他曾告訴喬布斯，他的要求是不可能完成的。他當(dāng)時堅稱至少需要三到四年的時間才能開發(fā)出能夠滿足喬布斯的要求的玻璃。 “我說，所有現(xiàn)有的玻璃都已經(jīng)測試過了，當(dāng)手機掉落時屏幕百分百會破裂。他說，雖然不知道怎么做，但是六月iPhone發(fā)售時，屏幕會是玻璃的。”

兩天后，威廉姆斯接到康寧首席執(zhí)行官溫德爾·威克斯（Wendell Weeks）的電話，他表示康寧開始重新研究用于智能手機的大猩猩玻璃（即Chemcor玻璃）解決蘋果問題的方法。在接下來被威廉姆斯稱之為“地獄”的幾個月里，兩家公司實現(xiàn)了Chemcor與iPhone產(chǎn)品的合體。

“當(dāng)產(chǎn)品在2007年6月推出時，客戶手中的 iPhone不但具有玻璃的光滑觸感，并且十分耐用，”威廉姆斯回憶道，“康寧玻璃為 iPhone 定下了基調(diào)和市場主導(dǎo)地位?！钡谝淮鷌Phone搭載的防刮玻璃一直是iPhone成功的關(guān)鍵因素。

唐納德·斯圖基（1915—2014）

康寧公司的化學(xué)家唐納德·斯圖基

如果沒有化學(xué)家斯圖基這一偶然發(fā)現(xiàn)，那么保護(hù)數(shù)十億智能手機和平板電腦（包括所有蘋果產(chǎn)品）的大猩猩玻璃可能永遠(yuǎn)不會問世。1953 年斯圖基在康寧玻璃廠工作時，偶然發(fā)現(xiàn)了玻璃陶瓷，這衍生出一系列康寧鍋具、化學(xué)強化玻璃，并最終促進(jìn)大猩猩玻璃的發(fā)展。在康寧公司工作的 47 年期間，斯圖基還開發(fā)了光敏玻璃和光致變色玻璃眼鏡等共計60 多項專利。1986 年，羅納德·里根（Ronald Reagan）總統(tǒng)授予斯圖基美國國家技術(shù)獎?wù)隆．?dāng)斯圖基在1987年作為康寧公司的基礎(chǔ)化學(xué)研究總監(jiān)退休時，他留下的寶貴財富包括斯圖基獎，該獎項每年頒發(fā)給公司的一位科學(xué)家，以表彰其“杰出的探索性成就”。

市場主導(dǎo)

在早期的智能手機中，大猩猩玻璃的缺點顯示在其厚度，大約1毫米，如果再厚一點，當(dāng)時使用的電容式液晶顯示器就不能很好地工作。盡管這種玻璃很厚，但卻滿足了喬布斯所要求的堅硬、柔韌和耐用。如今，康寧推出了其第七代大猩猩玻璃，厚度僅為 0.3～ 0.5 毫米。當(dāng)然，即使有很多競爭對手，如日本AGC Inc的升龍玻璃（Dragontrail）和德國Schott公司的Xensation，大猩猩玻璃仍在市場上占主導(dǎo)地位。

截至2017 年，大猩猩玻璃已被全球 40 家主要制造商應(yīng)用于包括蘋果系列等1 800多種產(chǎn)品。根據(jù)專家市場調(diào)研公司的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：2020 年全球智能手機玻璃市場價值約16.3億美元，其中大猩猩玻璃占據(jù)近 60 億臺設(shè)備的廣闊市場。然而，蘋果智能手機的所有玻璃都是由康寧公司提供的，隨著每一代設(shè)備的推出，該公司使用的玻璃越來越多。

當(dāng)然，即使大猩猩玻璃已經(jīng)非常堅韌了，智能手機掉落后屏幕也會遭到損壞，這就是為什么通常由類似的玻璃材料制成的屏幕保護(hù)膜也順帶具有積極的市場。根據(jù)新聞網(wǎng)站MarketWatch 2022年的一份報告，該市場份額預(yù)計將從2020年的23億美元增長到2026年的54億美元，畢竟，沒人愿意花1 000多英鎊買一部幾乎不能刮蹭的手機!

你能想象市場對每次放在口袋里都會被刮傷的iPhone會有何反應(yīng)嗎？如果當(dāng)初喬布斯推出了配備塑料屏幕的iPhone，無論這個想法有多么酷，這款設(shè)備也極有可能會被扼殺，因此手機屏幕必須是玻璃的。然而這一切都起源于1953年康寧玻璃廠的一次拙劣的實驗和一個損壞的烤箱，如果沒有這種難以預(yù)料的偶然性，我們可能永遠(yuǎn)不會獲得今天的成功。

資料來源 Physics World