第一款苹果手机背后的幕后英雄

科学

2022-07-10 04:07

7.10

知识分子

The Intellectual

知识分子 X Physics World，带你走进英国媒体视角下的科学议题。

导读

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在智能手机的兴起过程中，美国康宁公司生产的大猩猩玻璃起到了重要作用，它的坚硬和耐磨，成为第一代iPhone成功的重要因素。如今，大猩猩玻璃安装在了全球数十亿智能手机、平板电脑和笔记本电脑上。

2022为联合国国际玻璃年。在这篇文章中，Physics World对大猩猩玻璃和其母公司康宁著名的玻璃器皿的发明过程进行了回顾。这一切，都可以追溯到实验中的一个意外。

撰文 | James Mckenzie

翻译 | 胡唐燕

校译 | 李研

责编 | 陈晓雪

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我很喜欢那些意外的发现，因为它们能够在不经意间对我们的生活产生深远的影响。在3M公司的研究人员开发出粘性不那么强的胶水后，才有了随处可贴的便利贴。威廉·伦琴（Wilhelm Röntgen）发现的X射线给医学诊断带来了翻天覆地的变化。除此之外，珀西·勒巴隆·斯宾塞（Percy Lebaron Spencer），一位来自美国雷神公司（Raytheon）的物理学家，因为注意到了雷达装置上的微波融化了他口袋里的巧克力棒，发明了一种新型烤箱。

类似的偶然发现表明，“有针对性的” 产品研发并不总是一个好主意。猜想出的或出错的实验，魅力就在于它们可能会带来意想不到的结果。美国化学家斯蒂芬妮·科沃莱克（Stephanie Kwolek）在1964年受雇于杜邦公司（DuPont）时，发明了凯夫拉（Kevlar），一种有着极佳抗拉性能的合成纤维，当时她的团队正在寻找一种轻巧但坚固的新型纤维用于制造轮胎。

但这里我想重点讲述的偶然发现，来自纽约州北部的康宁公司（Corning Glass Works）。早在20世纪40年代初，该公司的研究人员就对玻璃这种透明材料的特性很感兴趣，即如果长时间在太阳下受热和暴晒，玻璃会变暗，颜色也会发生改变。罗伯特·道尔顿（Robert Dalton）是康宁公司里的一位化学家，热衷于研究这种效应，他将晶莹剔透的红宝石玻璃样品暴露在紫外线下，然后在烤箱中烘烤，结果得到了一块颜色深浅不一的玻璃。

唐纳德·斯托基（Donald Stookey）是康宁公司的另一位化学研究员，他于1940年加入该项目，受命探索这种奇妙的新型光敏玻璃的潜在应用。他研发了一种透明的铝硅酸盐玻璃，这种玻璃如果加入微量的金、银或铜，就会变得感光。斯托基发现他甚至可以将3D设计雕刻到玻璃上，这样的玻璃以商品名 “FotoForm” 进行销售，后来被用于电子封装材料和彩色电视机的多孔障板。

图1 唐纳德·斯托基替你的iPhone感谢他吧

如果没有化学家斯坦利·唐纳德·斯托基（1915-2014）实验中阴差阳错的那个瞬间，就没有保护了数十亿智能手机和平板电脑（包括苹果所有产品在内）的大猩猩玻璃。1953年，在康宁公司工作期间，他偶然发现了“微晶玻璃”（详见正文），后来陆续有了康宁锅具系列、化学强化玻璃以及大猩猩玻璃。为康宁工作的47年里，斯托基还研发了光敏玻璃和变色眼镜，总共获得了60多项专利。1986年，他被罗纳德·里根（Ronald Reagan）总统授予美国国家技术奖章。1987年，担任康宁的基础化学研究主任的斯托基退了休，他留下来的遗产里包括斯托基奖，该奖项每年颁发给康宁公司的科学家，以表彰其“杰出的探索性研究成就”。

1953年的某天，一份意外之喜来临。当时，斯托基想做一个实验，将一块FotoForm玻璃加热到600摄氏度。然而，熔炉出了差错，他错把玻璃加热到了900摄氏度。他想把样本玻璃从高温的炉子里移出，玻璃却从钳子上滑落，“咚” 地一声掉在了地上。让他惊讶的是，玻璃不但没有碎，还从地上弹了起来。

就这样，斯托基铸就了第一块 “微晶玻璃”——一种新型的玻璃材料，里面分散着形状不一、大小不一的细小晶体。在随后的工作里，康宁公司将这种材料开发成极其受欢迎的康宁锅系列，包括平底锅和烹饪锅。它们耐得住高低温冲击，如果直接从冰箱取出放进热烤箱中，它们也不会破裂。康宁锅成为了斯托基拥有的价值数百万美元的发明之一。

独特的混合体

Pyroceram，是斯托基偶然发明的这款玻璃的商品名，它具有独特的性能组合，不仅耐热，而且非常坚硬，超级坚固，还能够被无线电波穿透。这种材料也得到了军事应用，例如，用于制造导弹超音速雷达圆形的弹头。后来，在20世纪60年代，康宁公司开发了一种新型的Pyroceram材料，这种材料虽然不透明，但可以被可见光穿透。

该公司最初决定不将这一新产品商业化，因为担心影响到康宁时下非常受欢迎的Pyrex系列硼硅酸盐玻璃器皿的销售，该系列自1915年以来销量一直很好。到了20世纪70年代，康宁-法兰西公司（Corning France）的研究人员开发了一种琥珀色的Pyroceram玻璃，他们取得了专利，创造了一系列新的厨具，并将该品牌命名为Visions。

同时，康宁公司一直在探索让玻璃变得更加坚固的新方法。强化玻璃最常见的做法就是将玻璃高温加热，然后快速冷却，使得玻璃外层比内里的冷却速度更快，这个过程就叫做回火。温度梯度使玻璃内部处于张力状态，并挤压玻璃表面，这样玻璃就变得更加坚固，也降低了出现细小裂缝和瑕疵的可能性。

然而，随着玻璃变得越来越薄，要使玻璃内里和外层之间的冷却速率拥有显著差异变得越来越困难。在20世纪60年代，康宁的研究人员发现了一种强化玻璃的化学方法，即让玻璃中较小的离子被化学浴中较大的离子所取代。通过这种 “离子交换” 过程，对玻璃的表面进行高度压缩，因此玻璃不易出现裂痕，就算施加压力也不会轻易损坏。

康宁把这种玻璃命名为Chemcor，直到20世纪90年代初才用于各种商业和工业应用，包括汽车挡风玻璃、飞机、药瓶、监狱窗户、安全眼镜和电话亭。Chemcor玻璃在商业方面取得了大大小小的成功，但这一切都在2007年1月发生了变化。当时，苹果首席执行官史蒂夫·乔布斯（Steve Jobs）在旧金山举行的MacWorld大会上发表了演说。

与乔布斯合作

在旧金山的莫斯康展览中心（Moscone Center），面对着台下的观众们，乔布斯推出了一款革命性的新设备——第一款苹果iPhone。在那之前，智能手机一直不便于携带、其貌不扬，还带着死板的键盘。新款3.5英寸的iPhone承诺将会改变市场，它是第一个为客户提供内置摄像头和网页浏览功能的光滑触摸屏设备。

但就在向狂热的用户揭开这款新设备神秘面纱的第二天，乔布斯就开始抱怨他的iPhone屏幕了，他把手机放进口袋随身携带，可屏幕却出现了很多小刮痕。这是因为乔布斯所展示的iPhone原型是塑料屏幕，虽然耐摔，但很容易刮花。早在这件事发生的前几年，康宁公司就向乔布斯展示了自己的玻璃技术，随后乔布斯就决定五个月后在2007年6月上市的iPhone必须配备玻璃屏幕。

杰夫·威廉姆斯（Jeff Williams）是苹果公司的首席运营官，据他回忆，他告诫乔布斯没有玻璃能够满足他的要求。威廉姆斯认为，要满足乔布斯的要求，需要三到四年的时间才能开发出足够耐用的玻璃 [1]。“我说，‘我们已经测试了目前所有的玻璃，当它掉落的时候，都会百分之百地破裂。’ 而他说 ‘我不知道要怎么去做到这一点，但是在六月份发布的时候，它一定要是玻璃屏幕’。”

图2 掉落测试康宁的研发人员通过把玻璃屏幕从两米高的高度摔向坚硬粗糙的地面进行测试。

两天后，威廉姆斯接到康宁首席执行官温德尔·威克斯（Wendell Weeks）的电话。威克斯表示，康宁的Chemcor玻璃可能能够解决苹果手机的燃眉之急，该公司刚好开启了一项名为 “大猩猩玻璃” 的研究，该研究就是为智能手机量身定制的。接下来的几个月被威廉姆斯称为 “纯粹的恐怖”，因为为了能赶上iPhone的发布，两家公司的团队都在全力以赴，想要及时地将Chemcor玻璃打造成型。

功夫不负有心人。“iPhone在2007年6月发布的时候，我们的客户拥有了一部具有玻璃般美妙触感的手机，这块玻璃屏幕来自康宁公司，并且不易刮花，” 威廉姆斯回忆道。“它为iPhone奠定了基调。” 第一代iPhone上携带的防刮擦玻璃成为iPhone取得成功的关键因素。

主导市场

在早期智能手机的应用中，康宁的大猩猩玻璃厚度仅为一毫米，尽管很薄，但正如乔布斯要求的那样，它很坚硬，非常有弹性，也不易刮花。最近，康宁正在研发第七代大猩猩玻璃，其厚度仅有0.3到0.5毫米。当然，如今康宁也有很多竞争公司在研发智能手机玻璃，包括日本旭硝子公司（AGC）的Dragontrail，以及德国肖特公司（Schott）的Xensation。

但是大猩猩玻璃占据了市场的主导地位。到2017年为止，全球有40家顶尖制造商采用了大猩猩玻璃，其不仅被用于苹果全系列的iPhone和iPad，也被用于不同公司生产的超过1800款产品。根据 Expert Market Research 公司的数据，2020年全球智能手机屏幕玻璃的市值为16.3亿美元，使用大猩猩玻璃的设备接近60亿个。康宁公司为苹果智能手机提供所有的玻璃，而随着苹果手机的迭代更新，它需要的玻璃也越来越多。

当然，手机摔落是常有之事，即使大猩猩玻璃已经非常坚固了，智能手机的屏幕也可能会摔坏。这就是屏幕保护膜也有了市场的原因，这种保护膜通常由类似玻璃的材料制成。根据MarketWatch今年发布的一篇报告来看，从2020年到2026年，屏幕保护膜的市值有望从23亿美元增长到54亿美元。毕竟，没有人希望自己花了1000多英镑买来的顶级智能手机几乎不能刮擦。

尽管如此，如果每次把苹果手机放入口袋里，它都会被刮花，你能够想象市场会如何反应吗？我认为，如果乔布斯按照原计划发布塑料屏幕的iPhone，这很可能会扼杀掉这款设备，无论苹果手机的创意有多好。乔布斯做了一个正确的决定：手机必须得是玻璃屏幕。而这一切，都可以追溯到1953年康宁公司发生的那起弄巧成拙的实验，那个出了故障的炉子。如果没有这些意外，我们可能永远不会有今天的成就。