Jamesa McKenziego zastanawia się nad cudami Gorilla Glass – wynalazek, który chroni miliardy smartfonów, tabletów i laptopów na całym świecie przed niepożądanymi uszkodzeniami
Mam słabość do przypadkowych odkryć, które nieumyślnie mają głęboki wpływ na nasze życie. Pomyśl o klej, który się nie przykleił, który został opracowany przez naukowców z 3M i doprowadziło do wszechobecnej Post-it Note. Odkrycie promieni rentgenowskich przez Wilhelma Röntgena zrewolucjonizowało medycynę diagnostyczną. Był też Percy Lebaron Spencer, fizyk z Raytheon w USA, który wynalazł nowy rodzaj piekarnika po tym, jak zauważył, że mikrofale z jego zestawu radarowego stopiły tabliczkę czekolady w jego kieszeni.
Nieoczekiwane odkrycia, takie jak te, pokazują, dlaczego „ukierunkowane” badania i rozwój produktów nie zawsze są świetnym pomysłem. Piękno eksperymentów, które są spekulatywne lub kończą się niepowodzeniem, polega na tym, że mogą prowadzić do odkryć, których nigdy nie można było przewidzieć. Wystarczy pomyśleć o amerykańskiej chemiczce Stephanie Kwolek, która w 1964 roku pracowała dla DuPont, wymyślony Kevlar kiedy jej grupa szukała nowego lekkiego, ale mocnego włókna do produkcji opon.
Ale przypadkowe odkrycie, na którym chcę się skupić, miało miejsce w Huta szkła Corning w północnej części stanu Nowy Jork. Na początku lat 1940. badaczy z firmy zaintrygował fakt, że szkło, które jest rzekomo przezroczystym materiałem, może ciemnieć i zmieniać kolor, jeśli jest wystarczająco długo wystawione na działanie ciepła i światła słonecznego. Chętny do zbadania tego efektu, Robert Dalton, chemik z Corning, wystawił próbki krystalicznie czystego rubinowego szkła na światło ultrafioletowe, a następnie wypalił je w piecu. Rezultat: szkło w kilku różnych odcieniach koloru.
Donalda Stookeya, inny chemik badawczy Corning, który dołączył do firmy w 1940 roku, został poinstruowany, aby zbadać możliwe zastosowania fotograficzne to wspaniałe nowe światłoczułe szkło. Jego praca doprowadziła do opracowania przezroczystego szkła na bazie glinokrzemianu, które stało się światłoczułe, jeśli zawierało śladowe ilości złota, srebra lub miedzi. Stookey odkrył, że potrafi nawet wytrawić projekty 3D na szkle, które było sprzedawane jako „FotoForm”, a później wykorzystywane jako materiał do pakowania elektroniki i masek przysłony w kolorowych telewizorach.
Wielkie zrządzenie losu nastąpiło pewnego dnia w 1953 roku, kiedy Stookey chciał przeprowadzić eksperyment polegający na podgrzaniu kawałka szkła FotoForm do temperatury 600 °C. W piecu wystąpiła jednak usterka i Stookey przez pomyłkę podgrzał szkło do 900 °C. Kiedy próbował wyjąć próbkę z gorącego piekarnika, wyśliznęła się z jego szczypiec i spadła na podłogę. Ale zamiast się rozbić, szkło – ku zdumieniu Stookeya – odbiło się.
Właśnie stworzył pierwszą „ceramikę szklaną” – nową klasę szklistego materiału zawierającego rozproszone w nim drobne kryształy o różnych kształtach i rozmiarach. Późniejsze prace doprowadziły Corning do rozwinięcia tego materiału w niezwykle udaną gamę rondli i garnków CorningWare. Odporne na szok termiczny, nie pękają przy przeniesieniu na przykład bezpośrednio z zamrażarki do nagrzanego piekarnika. CorningWare stał się tylko jednym z wielomilionowych wynalazków Stookeya.
Donald Stookey: podziękuj mu za swojego iPhone'a
Szkło Gorilla, które chroni miliardy smartfonów i tabletów – w tym wszystkie produkty Apple – prawdopodobnie nigdy by nie istniało, gdyby nie przypadek ze strony chemika Stanleya Donalda Stookeya (1915-2014). Pracując w Corning Glass Works w 1953 r., jego przypadkowe odkrycie „ceramiki szklanej” (patrz tekst główny) doprowadziło do opracowania garnków CorningWare, szkła wzmacnianego chemicznie i – ostatecznie – samego szkła Gorilla Glass.
W ciągu 47 lat pracy w Corning, Stookey opracował również szkło światłoczułe i okulary fotochromowe ze szkła oftalmicznego, uzyskując ponad 60 patentów na swoje nazwisko. W 1986 roku został odznaczony przez prezydenta Ronalda Reagana Narodowym Medalem Technologii USA. Kiedy Stookey przeszedł na emeryturę w 1987 roku jako dyrektor ds. podstawowych badań chemicznych w Corning, jego spuścizna obejmowała nagrodę Stookeya, która jest przyznawana co roku naukowcowi z Corning za „wybitne osiągnięcia w badaniach eksploracyjnych”.
Unikalna mieszanka
Znak towarowy jako Piroceram, szkło, na które natknął się Stookey, miało wyjątkową kombinację właściwości, będąc nie tylko odpornym na ciepło, ale także niezwykle twardym, super mocnym i przezroczystym dla fal radiowych. Materiał znalazł również zastosowanie w wojsku, na przykład w stożkach dziobowych kopuł radarów naddźwiękowych w kierowanych pociskach rakietowych. Później, w latach sześćdziesiątych, Corning opracował nowy rodzaj materiału Pyroceram, który nie był nieprzezroczysty, ale przezroczysty dla światła widzialnego.
Firma początkowo nie zdecydowała się na komercjalizację tego nowszego produktu, obawiając się, że może on kanibalizować sprzedaż istniejących i cieszących się ogromnym powodzeniem Corninga. Pyrex asortyment naczyń ze szkła borokrzemianowego, który cieszył się popularnością od 1915 roku. Jednak w latach siedemdziesiątych naukowcy z Corning France opracowali bursztynową wersję Pyroceram, którą opatentowali i przekształcili w nową gamę naczyń kuchennych pod marką Visions .
W międzyczasie, w ramach inicjatywy, którą firma nazwała Project Muscle, Corning badał nowe sposoby na wzmocnienie szkła. Większość szkła jest wzmacniana przez podgrzanie go do wysokiej temperatury, a następnie szybkie schłodzenie, dzięki czemu na zewnątrz ochładza się znacznie szybciej niż wnętrze – proces znany jako hartowanie. Gradient temperatury powoduje napięcie wewnątrz szkła i ściska zewnętrzną powierzchnię, dzięki czemu szkło jest mocniejsze i mniej podatne na mikroskopijne pęknięcia i skazy.
Jednak w miarę jak szkło staje się cieńsze, coraz trudniej jest ustawić znaczną różnicę w szybkości chłodzenia między rdzeniem a powierzchnią. W latach 1960. naukowcy z Corning odkryli sposób na: szkło wzmacniające chemicznie poprzez umożliwienie zastąpienia mniejszych jonów w szkle większymi jonami z kąpieli chemicznej. Dzięki temu procesowi „wymiany jonowej” powierzchnia szkła staje się silnie skompresowana, a przez to mniej podatna na wprowadzanie uszkodzeń i stosowanie naprężeń mogących spowodować jej pęknięcie.
Corning sprzedawał to szkło pod marką Chemcor i było używane do początku lat 1990. w różnych zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych, w tym w szybach samochodowych, samolotach, fiolkach na leki, oknach więziennych, okularach ochronnych i budkach telefonicznych. Chemcor odniósł różne stopnie sukcesu komercyjnego, ale wszystko to miało się zmienić w styczniu 2007 roku, kiedy Steve Jobs, ówczesny dyrektor generalny Apple, wystąpił na tegorocznej konwencji MacWorld w San Francisco.
Wejdź Steve Jobs
Przed krzykliwa publiczność w Moscone CenterJobs wprowadził rewolucyjne nowe urządzenie – pierwszy Apple iPhone. Do tego momentu smartfony były nieporęcznymi, brzydkimi przedmiotami ze skrzypiącymi klawiaturami. Nowy 3.5-calowy iPhone obiecał zmienić rynek, oferując klientom po raz pierwszy zgrabne urządzenie z ekranem dotykowym z wbudowaną kamerą i możliwościami przeglądania sieci.
Ale dzień po ujawnieniu urządzenia entuzjastycznemu światu Jobs skarżył się, że ekran jego własnego iPhone'a, który nosił w kieszeni, pokrył się drobnymi wyszczerbieniami. To dlatego, że prototypowy iPhone, który zademonstrował Jobs, został zbudowany z plastikowym ekranem, który był wytrzymały mechanicznie, ale bardzo łatwy do zarysowania. Kilka lat wcześniej Corning pokazał Jobsowi technologię szkła firmy, a teraz upierał się, że kiedy iPhone pojawił się na rynku zaledwie pięć miesięcy później, w czerwcu 2007 roku, musiał mieć szklany ekran.
Jeff Williams, dyrektor operacyjny Apple, wspomina, jak powiedział Jobsowi, że jego żądanie jest niemożliwe, twierdząc, że opracowanie szkła, które byłoby wystarczająco trwały, aby spełnić wymagania Jobsa. „Powiedziałem: „Przetestowaliśmy wszystkie obecne szkło i kiedy je upuścisz, pęka w 100% przypadków”. A on powiedział: „Nie wiem, jak to zrobimy, ale kiedy wyjdzie w czerwcu, będzie ze szkła”.
Dwa dni później Williams odebrał telefon od Tygodnie Wendella, dyrektor naczelny Corning. Tygodnie zasugerowały, że szkło Chemcor firmy Corning, które firma właśnie zaczęła ponownie studiować do użytku w smartfonach, pod nazwą „Gorilla Glass”, może być rozwiązaniem problemu Apple. Nastąpiło kilka miesięcy tego, co Williams nazywa „czystym terrorem”, gdy zespoły w obu firmach pracowały nad przekształceniem Chemcor w coś, co byłoby gotowe na czas premiery iPhone'a.
Praca się opłaciła. „Kiedy wprowadziliśmy na rynek w czerwcu [2007], klienci mieli iPhone'a, który miał piękny wygląd szkła – szkło Corning – i był odporny na zarysowania” – wspomina Williams. „Pomogło to nadać ton iPhone’owi”. Odporne na zarysowania szkło, które jest dostarczane z iPhonem pierwszej generacji, było kluczową częścią sukcesu iPhone'a.
Dominacja rynku
We wczesnych smartfonach Corning Gorilla Glass miał około 1 mm grubości – każdy grubszy i pojemnościowe wyświetlacze ciekłokrystaliczne używane w tamtym czasie nie działały dobrze. Ale pomimo swojej grubości szkło było twarde, zaskakująco elastyczne i niewiarygodnie odporne na zarysowania, tak jak tego wymagał Jobs. Obecnie Corning korzysta z siódmej generacji szkła Gorilla Glass o grubości zaledwie 0.3–0.5 mm. Oczywiście jest teraz wielu konkurentów, którzy również produkują szkło do smartfonów, w tym Dragontrail z Japonii AGC Inc i Xensacja z niemieckiej firmy Przegroda.
Zdmuchnięty przez cuda szkła w spektakularnym muzeum Corning
Ale Gorilla Glass dominuje na rynku. Do 2017 r. został przyjęty przez 40 największych producentów na całym świecie i był używany nie tylko we wszystkich iPhone'ach i iPadach firmy Apple, ale w ponad 1800 produktach wielu różnych firm. Według Expert Market Research, globalny rynek szklanych osłon do smartfonów był wart około 1.63 miliarda dolarów w 2020 roku, a Gorilla Glass został wbudowany w prawie sześć miliardów urządzeń. Corning dostarcza jednak całe szkło do smartfonów Apple, a firma używa go coraz częściej z każdą generacją urządzenia.
Oczywiście telefony są upuszczane i chociaż szkło Gorilla Glass jest niesamowicie wytrzymałe, ekrany smartfonów mogą ulec uszkodzeniu. Dlatego istnieje również zdrowy rynek folii ochronnych na ekran, które często są wykonane z podobnych szklistych materiałów. Według tegorocznego raportu MarketWatch, rynek ochraniaczy ekranu ma wzrosnąć z 2.3 miliarda dolarów w 2020 roku do 5.4 miliarda dolarów do 2026 roku. smartfon, za który mogli zapłacić ponad 1000 funtów!
Mimo to, czy możesz sobie wyobrazić, jak rynek zareagowałby na iPhone'a Apple, który został porysowany za każdym razem, gdy włożysz go do kieszeni? Jeśli Jobs wypuścił iPhone'a z plastikowym ekranem, tak jak pierwotnie planowano, myślę, że mogłoby to zabić urządzenie – niezależnie od tego, jak fajny był pomysł. Jobs miał rację: to musiało być szkło. I pomyśleć, że wszystko to można przypisać nieudanemu eksperymentowi i wadliwemu piekarnikowi w Corning Glass Works w 1953 roku. Bez tego zbiegu okoliczności moglibyśmy nigdy nie być w miejscu, w którym jesteśmy dzisiaj.
