完善的设计 砥砺细节——康宁公司发明超薄超强度的将来玻璃
《连线》杂志近日刊载文┞仿，讲述了特别玻璃和陶瓷资料的全球引导厂商康宁（Corning）是若何发明超薄的、强度超高的将来玻璃资料的。文┞仿指出，玻璃是一种经常城市看到，以至于现实上已被人们熟视无睹的资料，但在现实上现代产业玻璃是极其庞杂的一种工具。唐· 斯图基（Don Stookey）原认为本身把试验搞砸了。在1952年的一天，这位康宁玻璃厂（Corning Glass Works）化学家将一块光敏玻璃的样本放到火炉中，将温度设定在600摄氏度。在加热进程中的某个时刻，一名把持员犯了过错，将温度晋升到900摄氏 度。斯图基底本认为这块玻璃将会融化，火炉也将被销毁；但当他打开炉门时却希奇地发明，这块锂硅酸盐玻璃已经酿成了一块奶利剑色的薄板。当他试图拿出这块薄 板的时辰，因为钳子未能夹紧的缘故，导致这块玻璃样本滑落在地，但却没有摔碎，而是弹了起来。
斯 图基后来进选了美国国度发现家名人堂（National Inventors Hall of Fame），但在那时他并不知道本身偶尔间发现了第一块有机微晶玻璃，这种资料随后被康宁定名为“微晶玻璃”（Pyroceram），其重量比铝要轻，但 强度却高于高碳钢，与惯例的钠钙玻璃比拟则要超出跨越很多倍。到最后，微晶玻璃找到了本身的定位，被用于从导弹鼻锥到化学实验室等各个范畴中。此外，这种资料 还能被用在微波炉中。在1959年，微晶玻璃第一次用于太空时期的用餐用具：Corningware（康宁餐具）。
对 于康宁的命允攀来说，这种资料可以说是天降恩赐。不久今后，这家公司就启动了Project Muscle项目，这是一项年夜范围的开辟项目，目标是摸索其他可加强玻璃的方法。随后这个项目取得了冲破性的进展，康宁的科学家们在对那时来说最新开辟出 来一种加强玻璃的方式（具体操纵是将玻璃浸在一盆加热后的钾盐中）进行微调时发明，在特定的玻璃成分构成中参加铝，然后再将其浸进钾盐中，就能带来出色的 强度和经久性。科学家们敏捷进行了一系列的测试来考验其强度，如从九层高的建筑物上向下抛掷强化玻璃杯，以及应用冻鸡激烈撞击玻璃（这种玻璃的内乱部代号为 0317）等。试验发明，这种玻璃能曲折和扭曲至很是高的水平，然后才会决裂；从数据上来看，这种玻璃能蒙受每平方英微暇10万磅（相当于每平方米7.03 万吨）的压力。而与此比拟，通俗的玻璃仅可蒙受每平方英微暇7000磅（约合每平方米4920吨）的压力。在1962年，康宁开端出售这种被其定名为 Chemcor的玻璃，以为这种玻璃能用于公用德律风亭、牢狱窗户和眼镜等产物。
在最开 始的时辰，这种玻璃吸引了良多人的爱好，但其发卖速度却很迟缓。确切有些公司下单购置这种玻璃，用来出产平安眼镜等产物。可是，这些产物随后被召回，原因 是厂商对玻璃碎裂时可能发生的爆炸性成果觉得担忧。Chemcor看起来底本也会是一种用于汽车挡风玻璃的好资料，并且确切也曾呈现在由美国汽车公司 （American Motors）出产的Javelin（标枪）汽车上，但年夜大都汽车制作商都并不信任这种新的强化玻璃值得让它们付更多钱——尤其是这些制作商从二十世纪三 十年月开端就在应用胶合玻璃，而这种玻璃看起来一向都表示杰出。
康宁发现了一种昂贵的进级版玻璃，但却无人问津。固然碰撞测试表白这种挡风玻璃能让“头部减速度年夜幅进步”，但仍然无补于事，原因是这种后果或许能让Chemcor毫发无损，但人的头盖骨却没有那么坚硬。在向福特汽车及其他汽车制作商倾销这种玻璃的尽力以掉败了结今后，康宁在1971年封闭了Project Muscle项目，废置了Chemcor玻璃。但这种玻璃是一种解决计划，只是不得不等候适合的题目浮出水面。
从 空中俯瞰，康宁位于纽约州北部的公司总部年夜楼看起来就像是《太空进侵者》（Space Invaders）中的外星异形：这幢年夜厦是由建筑师凯文·洛奇（Kevin Roche）在二十世纪九十年月早期设计的，其构造以错列的方法成扇形散开。但从地面上来看，彩色的窗户和延伸的屋檐则让这幢年夜厦看起来更像是一座光明 的、将来主义派的日本宫殿。康宁首席履行官魏文德（Wendell Weeks)的办公室在这幢年夜厦的二楼，从办公室的窗口看出往可以看到希芒河（Chemung River）。恰是在这里，已故苹果联 合开创人史蒂夫·乔布斯（Steve Jobs）曾给53岁岛稳缒德带来过一个看起来是不成能的义务：出产数百万平方英尺的超薄超强度玻璃，而那时这种玻璃基本就不存在。并且，乔布斯还请求魏 文德在六个月时光里完成这项义务。他们两人合作的故事——包含乔布斯测验考试训诫魏文德，让他知道玻璃的原则，以及乔布斯保持以为这种豪举是可以实现的，诸如 词攀类——已经广为人知。可是，魏文德到底是若何美满地完成了这项义务并非良多人懂得的工作。
魏 文德在1983年加盟康宁，曾负责治理这家公司的电视和特种玻璃营业，随后在2005年出任首席履行官。假如你跟他会商有关玻璃的题目，那么他会将其描写 为一种具有异国情调的、漂亮的工具——并且仍是一种自身潜力才方才开端被科学家解密的资料。他会滚滚不停地讲述玻璃固有的可触摸性和真实性，只不外到最后 会演化成会商有关无线电频率透明度的题目。“玻璃的设计价值中存在一种基础事实。”魏文德说道，他手中拿着一个清亮透明的玻璃透镜。“它就像是一种偶尔拾 得的自然艺术品；它能给人带来很酷的触感；它拥有十分滑腻的概况。对于这种工具，你真正想要的会是它能活泼起来，那将是一种完善的产物。”
魏 文德和乔布斯同样都观赏完善的设计，同样都沉迷于砥砺细节，也同样城市被宏大的挑衅和巨大的设法所吸引。不外，乔布斯的治理作风是刚愎自用的，而魏文德 （跟康宁的很多前任首席履行官一样）则偏向于激励某种水平上的对抗。“我本身与任何搞科研工作的科学家之间不存在任何隔膜。”他说道。“我们能以一种很是 放松的方法在这些小型团队中共事——说来放松，现实上还是高度严重的。”
事实上，固然 康宁是一家范围宏大的公司——拥有2.9万名的员工，2011年的营收为79亿美元——但仍然拥有小公司的思虑和举动方法，这与其相对偏远的地舆地位、在 1%高低彷徨的年度人才流掉率以及宏大的传统轨制有关。（斯图基此刻已是97岁高龄，但他和其他的传奇性人物仍然在苏利文公园（Sullivan Park）的勘掰研发中间的会议室和试验室中徜徉。）“我们这里都是毕生奉献者。”魏文德微笑着说道。“我们熟悉彼此已有很长时光。我们胜利过很多次，也 掉败过良多次。”
魏文德和乔布斯之间最初进行的对话之一现实上与玻璃无关。康宁的科学家正在研讨显微投影技巧 ——具体的说，是若何应用人造绿色激光的更好方式。这个设法的内乱容是，人们不会想要盯着手机的小小屏幕来看片子和电视剧，而投影看起来是一种天然而然的解 决计划。但当魏文德与乔布斯说起这个设法时，后者斥之为笨拙的动机。但乔布斯那时指出，他确切正致力于开辟某种更好的工具——那是一种全部概况都是显示屏 的装备。后来，这种装备被定名为iPhone。
乔 布斯可能曾对绿色激光不屑一顾，但对康宁来说，这种激光代表着界说这家公司的立异类型。对于康宁来说，试验的庄严是不成侵略的，以至于该公司凡是城市将 10%的营收投进到研发范畴中往。当电信行业泡沫在2000年决裂时，江河日下的光光纤价钱导致康宁股价从100美元直落至2002年的1.50美元，但 那时这家公司的首席履行官消除了科学家的疑虑，称康宁不仅仍要进行研讨工作，并且研发回将是这家公司重拾繁华气象的途径。
“在 以技巧为基本的公司中，康宁长短常少见的能将彻底改革自身作为常态的公司之一。”哈佛年夜学商学院的传授丽贝卡·亨德森（Rebecca Henderson）说道，她曾研讨过康宁的立异史。“知易而行难。”康宁能取得胜利的原因之一就在于，这家公司不仅拥有开辟新技巧的才能，并且还能找出 应用新技巧来进行年夜范围出产的方式。不外，即使康宁在这两个方面都能取得胜利，制作商也经常都须要数十年时光来为康宁的立异技巧找到一个适合的——并且还 必需拥有够高的盈利才能——市场。正如亨德森所指出的那样，康宁的立异运动在很年夜水平上与其接收掉败的设法，然后将其利用于其他处所的意愿和才能有关。
让Chemcor样本重见天日的设法是在2005年忽然迸发出来的，那时苹果甚至还没有进进手机范畴。在这个设法呈现以前不久，摩托罗拉宣布了Razr V3，这是一款翻盖手机，其特色是应用玻璃显示屏代替了传统上的高强度塑料。康宁组建了一支不年夜的团队，负责研讨相似于0317的玻璃是否能被从头启用， 利用于手机和腕表等产物。老的Chemcor样本有4毫米那么厚，但或允许能变薄一些。在进行了一些市场研讨运动今后，公司高管以为，这种特种产物能给康 宁带来少量利润。这个项目标代号名是“Gorilla Glass”（年夜猩猩玻璃）。
到 乔布斯在2007年2月份打德律风来的时辰，这种初步的产物还没有获得很年夜的成长。那时苹果忽然请求康宁大批出产1.3毫米厚的化学钢化玻璃——这是以前从 来都没有被发明出来的工具，更不消说是出产了。从未进行过年夜范围出产的Chemcor是否能与某种流程“嫁接”到一路，从而发明出这种范围化的出产能？为 汽车挡风玻璃量身定做的玻璃是否能在变得超薄的同时还能坚持强度呢？化学钢化工艺是否能有用地利用于如许的一种玻璃呢？没人知道谜底。所以对魏文德来说， 那时他作出的决议是任何一位偏向于采用冒险运动的首席履行官城市往做的工作。他承诺了苹果的请求。
玻 璃是一种经常城市看到，以至于现实上已被人们熟视无睹的资料，但在现实上现代产业玻璃是极其庞杂的一种工具。尺度的钠钙玻璃用来出产瓶子和灯胆是很好的， 但用于其他用处则会变得很糟糕，原因是这种玻璃决裂后会酿成锐利的碎片。派热克斯（Pyrex）等硼硅酸盐玻璃在耐热方面可能表示优良，但须要太多的能量 才干融化。而与此同时，仅有两种方式能来年夜范围出产平板玻璃，分辨是“熔融下拉”（fusion draw）制程和“浮法玻璃”（float glass）制程。玻璃公司所面对的挑衅是将一种玻璃的成分组成及其想要的特质与工艺流程进行匹配。设计公式是一个题目，然后应用这个公式来出产一种产物 则是第二个题目。
无 论成分组成若何，几乎所有玻璃的的重要成分都是二氧化硅（也就是沙子）。因为二氧化硅的熔点（1720摄氏度）过高的缘故，必需应用氧化钠等其他化学品来 下降融化温度，从而使出产流程变得加倍简略，同时下降出产本钱。而在这些化学品中，有良多刚好能将玻璃与特定的属性融会在一路，好比说抗X射线、耐高温或 是可折射光线等。但题目也随之而来，那就是当成分组成转变时，哪怕是最渺小的调剂也会让出产出来的玻璃酿成一种完整分歧的资料。举例来说，假如参加钡和镧 等高密度元素，那么融化温度将会下降，但风险是可能会沉淀不均。此外，最年夜化玻璃的强度意味着，当这种玻璃无法蒙受压力时，其碎裂的后果也更有可能会十分 激烈。玻璃是一种由“衡量弃取”法例主导的资料，这也恰是玻璃的成分组成（尤其是那些颠末细微调剂来顺应特定的出产流程的成分组成）是受到周密维护的机密 的原因地点。
在玻璃的出产进程中，最要害的步调之一是冷却。就尺度玻璃的年夜范围出产而 言，基础的原则是资料须要慢慢地、平均地冷却，如许做的目标是最小化内乱应力，不然玻璃就轻易决裂。但钢化玻璃的目的是在资料内乱层和外层之间供给更年夜应力， 这会让玻璃变得更有强度：加热一块玻璃，直到其软化为止，然后敏捷冷却或淬火其外层概况；外层会敏捷压缩，而内乱层则仍处于融化状况。在玻璃的中间冷却时， 内乱层也会测验考试压缩，从而拉动外层压缩；中间地位会形成一个张力地带，而外层则被紧缩得加倍慎密。假如凿穿这种强化后的外部紧缩层，到达内乱部的┞放力地带，那 么钢化玻璃就会终极碎裂。可是，甚至就连热回火工艺也同样有其限制，玻璃被强化的量级要取决于玻璃自己在冷却时的压缩水平，而年夜大都的成分组成都只会适量 压缩。
紧缩与张力之间的彼此感化能用所谓“鲁珀特王子的玻璃滴”（Prince Rupert’s drop，鲁珀特是莱茵王子，据说他爱好用这种方法来恶作剧）的方式来进行最好的┞饭示，也就是把融化后的玻璃滴进冰水中，然后这些蝌蚪外形的玻璃滴将会迅 速冷却和紧缩，其“头部”将可蒙受数目宏大的“处分”，如持续的锤击等。但与此同时，“尾部”的条状玻璃则更懦弱一些；假如这一部门的条状玻璃决裂，那么 裂缝就会以每小时2000英里（约合3218千米）的速度在全部玻璃滴中敏捷传布开来，从而发生激烈的成果。在某些情形下，“鲁珀特王子的玻璃滴”会产生 爆炸，发出刺眼的光线。
用来强化玻璃的化学钢化方式是在二十世纪六十年月开辟出来的， 经由过程所谓“离子交流”的方法来发明一个紧缩层。“年夜猩猩玻璃”等玻璃所包括的铝硅酸盐成分包含二氧化硅、铝、镁和纳等元素，当这种玻璃被放进加热融化后的 钾盐中时，就会受热扩大。纳和钾在元素周期表中处于统一个纵列中，这意味着它们的行动是类似的。
来自于钾盐的热量会进步钠离子从玻璃中向外移动的速度，类 似的钾离子也会比拟轻易地游进，找到本身的地位。可是，因为钾离子比钠离子年夜的缘故，前者会加倍慎密地挤在这个空间中。在玻璃冷却时，这些离子被挤在变得 狭窄的空间里，如许一来玻璃概况的抗压应力层就形成了。与热强化玻璃比拟，化学钢化玻璃拥有更强的概况紧缩度。
到 3月底的时辰，康宁完成了本身的公式设计。可是，这家公司还须要出产出这种玻璃。发现一种新的制作工艺是不成能的，由于那可能须要几年时光。为了在苹果给 出的最后刻日以前完成这项工作，康宁的两名成分组成科学家亚当·埃里森（Adam Ellison）和马特·德吉内乱卡（Matt Dejneka）接到了一项义务，内乱容是找出若何改革公司已在应用的一种工艺，并对其进行故障排遣。他们须要找出一种合适的工艺，能让康宁在短短几个礼拜 时光里出产出大批超薄的玻璃。
那时现实上仅有一种选择，那就是“熔融下拉”制程。在这 种制程中，融化后的玻璃会从一个水箱被倒进一条被称为“隔热管”（isopipe）的耐火槽中，从这条耐火槽的双方外溢，然后在隔热管的下方从头汇聚，由 转动依照划定的速度“下拉”，从而形成接二连三的玻璃薄片；下拉的速度越快，那么玻璃也就会越薄。
康 宁旗下一家拥有“熔融下拉”工艺的美国工场位于肯塔基州的哈罗斯伯格（Harrodsburg）。在2007年头，这家公司7个15英尺（约合4.6米） 高的水箱都装得满满当当，每个水箱每小时城市出产出1000磅（约合456千克）以上用于电视面板的LCD玻璃，只需一个水箱就能知足苹果最初的请求。但 起首要做的是，老Chemcor的成分组成必需从头进行公式设计。这种玻璃不仅须要1.3毫米的厚度，并且还必需拥有更好的视觉特征，好比说能用作公用电 话亭的窗格玻璃等。埃里森和他引导下的团队有6个礼拜时光来从头设计公式。为了能与“熔融下拉”制程兼容，这种玻璃还需在相当低的温度下拥有特殊的延展 性，就像是口喷鼻糖那样。题目在于，无论你做什么工作来进步玻璃的胶黏性，城市偏向于让其变得加倍难以融化。这些成分组成科学家发明，经由过程同时转变成分组成 的7种单个部门的方法——包含转变几种氧化物的程度和参加一种新的机密成分等——他们可以进步玻璃的┞烦性，同时还能出产出一种具有较高抗压应力和离子交流 速度更快的玻璃。水箱在2007年5月份正式启动，到6月份已经可以出产出足以笼罩7个足球场的“年夜猩猩玻璃”。
在 短短5年时光里，“年夜猩猩玻璃”已经从一种资料酿成了一种美学——那是一种无缝的朋分，能将我们物理上的自我与口袋中所携带的数字化身区离开来。我们触摸 装备的外层，我们的身材会让显示屏下面的一个电极与其“邻人”之间的电路成为闭合的，从而将动作转换为数据。此刻这种玻璃已经用于全球范畴内乱的750多种 产物和33个品牌，包含笔记本电脑、平板电脑、智妙手机和电视等。假如你曾触摸、滑动或爱抚一种电子装备，那么就很有可能曾与“年夜猩猩玻璃”密切接触过。
康 宁来自于这种玻璃的营收已经从2007年的2000万美元年夜幅增加至2011年的7亿美元。除了触摸屏以外，这种玻璃还有其他的用处。在本年召开的伦敦设 计节上，Eckersley O’Callaghan——负责苹果某些最具标记性的专卖店进行设计的公司——宣布了一种相似于蛇纹石的玻璃雕塑，完整由“年夜猩猩玻璃”制成。这种玻璃甚 至有可能再次酿成挡风玻璃：康宁正在睁开相干会谈，可能会将这种玻璃安装在将来的跑车车型上。
在 今天，两条黄色的机械臂会抓起5英尺（约合1.52米）见方的“年夜猩猩玻璃”面板，将其放在木箱里。这些木箱会从哈罗斯伯格经由过程卡车运输的方法输送到路易 斯维尔（Louisville），然后装载到一辆西行的火车上；在到达西海岸今后，这些玻璃会被装载到货船上，运向康宁旗下位于中国的一家±?ｎ后修整”工 厂，在那边这些玻璃会在装满融化钾的用具中“洗澡”，然后被切割成可被触摸的长方形。当 然，固然这种玻璃拥有那么多魔力般的属性，但假如敏捷阅读互联网范畴中产生的事务，那么就会发明“年夜猩猩玻璃”经常城市掉败，并且有些时辰这种掉败很是引 人注视。当手机失落到地上时，这种玻璃会决裂开来；在被弯折的时辰，这种玻璃会呈现蜘蛛纹；假如有人坐在这种玻璃上，那么也会压出裂痕。“年夜猩猩玻璃”究竟 也是玻璃，而这也恰是康宁的一个团队为何要花时光对其进行改进的原因地点。
“我们将这 个称为‘挪威之锤’。”“年夜猩猩玻璃”家族所有新玻璃开辟工作的负责人杰明·艾敏（Jaymin Amin）说道，他从一个木箱中拉出了一个金属圆筒，这个东西被飞机工程师普遍用于测试飞机铝制机身的强度。但艾敏对这种东西的应用方法则是，他将这种装 有弹簧的冲击锤体向后拉，然后再撒手，从而开释出2焦耳的气力，对一块1毫米后的玻璃进行冲击，这种气力足以在一块木头上打出一个凹痕，但这块玻璃却毫发 无损。
“年夜猩猩玻璃”的胜利对康宁来说代表着某种奇特的挑衅，这是这家公司初次面对着 如斯敏捷的迭代需求６佳盼有新版本的玻璃宣布时，这种玻璃在特定范畴中的表示都须要受到监控，目标是确保其靠得住性和稳健性。为了做到这一点，艾敏及其引导 下的团队汇集了数以百计的已决裂“年夜猩猩玻璃”手机。“几乎所有的决裂，无论是年夜是小，都是从一个点开端的。”康宁的高等研讨科学家凯文·雷曼 （Kevin Reiman）说道，他指向一部HTC Wildfire手机的一块几乎看不到的芯片。他的眼前摆着很多显示屏决裂的手机，这部HTC手机是此中之一。一旦能找到阿谁点，那么就能开端对裂痕进行 丈量，从而懂得张力是若何感化到玻璃上的；假如能复制一次决裂的进程，那么就能研讨出决裂是若何传布的，并想法防止决裂的产生，无论是经由过程转变成分构造改 变的方法，仍是经由过程化学强化的方法。
在这种信息的“武装”下，艾敏的团队致力于一次又一次地从头发明准确的决裂进程，他们应用杠杆式压力机、滴落实验器、自由引力球体坠落以及多种产业弯折装备来进行这种测试，甚至还动用了一个高速摄像机，能以每秒钟100万帧的速度来研讨波折和裂纹是若何传布的。
所 有这种损坏和有把持的居心损坏的试验终于取得了成效。与最第一版本的“年夜猩猩玻璃”比拟，“年夜猩猩玻璃2”的强度进步了20%，而第三个版本则将在来岁初面 世。康宁的成分组成科学家将抗压应力推升到了极限，从而完成了这项义务——对于第一个版本的“年夜猩猩玻璃”，他们是相对守旧的——与此同时，科学家们还设 法避免了爆炸性决裂的可能性。不外，这种玻璃仍然是一种相对易碎的资料。固然这种懦弱的资料在受到压力时偏向于十分强硬，但在面对张力时却会变得很是脆 弱：假如你弯折这种玻璃，那么就可能导致其决裂。对“年夜猩猩玻璃”来说，要害的题目在于紧缩层会让裂纹不会传布到资料的其他部门，从而避免张力感化于这种 玻璃时不会产生灾害性的成果。手机失落到地上一次，显示屏可能不会决裂，但有可能已经对其造成了足够的侵害，使其无法抗拒今后蒙受的气力；在这种情形下，如 果手机第二次失落到地上，即使并非那么严重，对显示屏来说也可能会是致命的。对于一种一切都与“衡量弃取”法例有关的资料来说，这是一种无可避免的成果。
现 在让我们回到康宁的哈罗斯伯格工场看一看。一名身穿玄色“年夜猩猩玻璃”T恤衫的男人正在领导一张100微米厚（年夜约相当于铝箔纸的厚度）的玻璃薄片经由过程一 系列的滚筒。这台机械看起来就像是一部印刷机，而从这台机械中蜿蜒而出的玻璃就像是宏大的、微微发光的透明纸。这种超薄的、可卷动的资料被称为 Willow。与“年夜猩猩玻璃”分歧的是，Willow更像是“雨衣”，而“年夜猩猩玻璃”则被用作±?０甲”。Willow分量很轻，也很耐用，拥有很年夜的 潜力。康宁的假想是，这种玻璃将可增进有弹性的智妙手机设计和超薄的、可卷动的OLED显示屏。对电力公司来说，也能应用Willow出产柔韧的太阳能电 池。康宁甚至还构思了一种拥有玻璃页面的电子书。
到最后，Willow将以宏大的卷轴的情势交货————条件是，要有人下单购置这种玻璃——每个“卷轴”都最多有500英尺（约合152米）那么长。就此刻而言，成卷的Willow玻璃还静静地躺在哈罗斯伯格工场的地面上；它是一种解决计划，正等候着适合的题目的降临。 是的，康宁是一个很是杰出的公司。其概念玻璃幻影随行。
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