康宁超薄超强度的未来玻璃是如何诞生的

玻璃是一种经常都会看到，以至于实际上已被人们熟视无睹的材料，但在实际上现代工业玻璃是极其复杂的一种东西。

北京时间9月27日消息，《连线》杂志近日刊载文章，讲述了特殊玻璃和陶瓷材料的全球领导厂商康宁（Corning）是如何创造超薄的、强度超高的未来玻璃材料的。文章指出，玻璃是一种经常都会看到，以至于实际上已被人们熟视无睹的材料，但在实际上现代工业玻璃是极其复杂的一种东西。

以下是这篇文章的全文：

唐·斯图基（Don Stookey）原以为自己把实验搞砸了。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。在加热过程中的某个时刻，一名控制员犯了错误，将温度提升到900摄氏度。斯图基原本以为这块玻璃将会熔化，火炉也将被烧毁；但当他打开炉门时却奇怪地发现，这块锂硅酸盐玻璃已经变成了一块奶白色的薄板。当他试图拿出这块薄板的时候，由于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。

斯图基后来入选了美国国家发明家名人堂（National Inventors Hall of Fame），但在当时他并不知道自己偶然间发明了第一块有机微晶玻璃，这种材料随后被康宁命名为“微晶玻璃”（Pyroceram），其重量比铝要轻，但强度却高于高碳钢，与常规的钠钙玻璃相比则要高出许多倍。到最后，微晶玻璃找到了自己的定位，被用于从导弹鼻锥到化学试验室等各个领域中。此外，这种材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代的用餐器具：Corningware（康宁餐具）。

熔融态玻璃冷却后变得很有粘性，以至于可用剪子切割

对于康宁的命运来说，这种材料可以说是天降恩赐。不久以后，这家公司就启动了Project Muscle项目，这是一项大规模的开发项目，目的是探索其他可增强玻璃的方式。随后这个项目取得了突破性的进展，康宁的科学家们在对当时来说最新开发出来一种增强玻璃的方法（具体操作是将玻璃浸在一盆加热后的钾盐中）进行微调时发现，在特定的玻璃成分组成中加入铝，然后再将其浸入钾盐中，就能带来卓越的强度和耐久性。科学家们迅速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投掷强化玻璃杯，以及使用冻鸡猛烈撞击玻璃（这种玻璃的内部代号为0317）等。实验发现，这种玻璃能弯曲和扭曲至非常高的程度，然后才会破裂；从数据上来看，这种玻璃能承受每平方英寸10万磅（相当于每平方米7.03万吨）的压力。而与此相比，普通的玻璃仅可承受每平方英寸7000磅（约合每平方米4920吨）的压力。在1962年，康宁开始出售这种被其命名为Chemcor的玻璃，认为这种玻璃能用于公用电话亭、监狱窗户和眼镜等产品。

在最开始的时候，这种玻璃吸引了很多人的兴趣，但其销售速度却很缓慢。确实有些公司下单购买这种玻璃，用来生产安全眼镜等产品。但是，这些产品随后被召回，原因是厂商对玻璃碎裂时可能产生的爆炸性后果感到担心。Chemcor看起来原本也会是一种用于汽车挡风玻璃的好材料，而且确实也曾出现在由美国汽车公司（American Motors）生产的Javelin（标枪）汽车上，但大多数汽车制造商都并不相信这种新的强化玻璃值得让它们付更多钱——尤其是这些制造商从二十世纪三十年代开始就在使用胶合玻璃，而这种玻璃看起来一直都表现良好。

康宁发明了一种昂贵的升级版玻璃，但却无人问津。虽然碰撞测试表明这种挡风玻璃能让“头部减速度大幅提高”，但仍旧无补于事，原因是这种效果或许能让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造商推销这种玻璃的努力以失败告终以后，康宁在1971年关闭了Project Muscle项目，废置了Chemcor玻璃。但这种玻璃是一种解决方案，只是不得不等待合适的问题浮出水面。

当玻璃进行强化后，能承受来自于杠杆压机床的庞大压力

从空中俯瞰，康宁位于纽约州北部的公司总部大楼看起来就像是《太空入侵者》（Space Invaders）中的外星异形：这幢大厦是由建筑师凯文·洛奇（Kevin Roche）在二十世纪九十年代早期设计的，其结构以错列的方式成扇形散开。但从地面上来看，彩色的窗户和延长的屋檐则让这幢大厦看起来更像是一座光亮的、未来主义派的日本宫殿。

康宁首席执行官魏文德（Wendell Weeks)的办公室在这幢大厦的二楼，从办公室的窗口望出去可以看到希芒河（Chemung River）。正是在这里，已故苹果联合创始人史蒂夫·乔布斯（Steve Jobs）曾给53岁的魏文德带来过一个看起来是不可能的任务：生产数百万平方英尺的超薄超强度玻璃，而那时这种玻璃根本就不存在。而且，乔布斯还要求魏文德在六个月时间里完成这项任务。他们两人合作的故事——包括乔布斯尝试训诫魏文德，让他知道玻璃的原则，以及乔布斯坚持认为这种壮举是可以实现的，诸如此类——已经广为人知。但是，魏文德到底是如何圆满地完成了这项任务并非很多人了解的事情。

魏文德在1983年加盟康宁，曾负责管理这家公司的电视和特种玻璃业务，随后在2005年出任首席执行官。如果你跟他讨论有关玻璃的问题，那么他会将其描述为一种具有异国情调的、美丽的东西——而且还是一种自身潜力才刚刚开始被科学家解密的材料。他会滔滔不绝地讲述玻璃固有的可触摸性和真实性，只不过到最后会演变成讨论有关无线电频率透明度的问题。“玻璃的设计价值中存在一种基本事实。”魏文德说道，他手中拿着一个清澈透明的玻璃透镜。“它就像是一种偶然拾得的天然艺术品；它能给人带来很酷的触感；它拥有十分光滑的表面。对于这种东西，你真正想要的会是它能活跃起来，那将是一种完美的产品。”

魏文德和乔布斯同样都欣赏完美的设计，同样都着迷于雕琢细节，也同样都会被巨大的挑战和伟大的想法所吸引。不过，乔布斯的管理风格是独断专行的，而魏文德（跟康宁的许多前任首席执行官一样）则倾向于鼓励某种程度上的反抗。“我自己与任何搞科研工作的科学家之间不存在任何隔阂。”他说道。“我们能以一种非常放松的方式在这些小型团队中共事——说来放松，实际上仍是高度紧张的。”[!--empirenews.page--]

事实上，虽然康宁是一家规模庞大的公司——拥有2.9万名的员工，2011年的营收为79亿美元——但仍旧拥有小公司的思考和行动方式，这与其相对偏远的地理位置、在1%上下徘徊的年度人才流失率以及庞大的传统制度有关。（斯图基现在已是97岁高龄，但他和其他的传奇性人物仍旧在苏利文公园（Sullivan Park）的康宁研发中心的会议室和实验室中徜徉。）“我们这里都是终身奉献者。”魏文德微笑着说道。“我们认识彼此已有很长时间。我们成功过许多次，也失败过很多次。”

魏文德和乔布斯之间最初进行的对话之一实际上与玻璃无关。康宁的科学家正在研究显微投影技术——具体的说，是如何使用人造绿色激光的更好方法。这个想法的内容是，人们不会想要盯着手机的小小屏幕来看电影和电视剧，而投影看起来是一种自然而然的解决方案。但当魏文德与乔布斯说起这个想法时，后者斥之为愚蠢的念头。但乔布斯当时指出，他确实正致力于开发某种更好的东西——那是一种整个表面都是显示屏的设备。后来，这种设备被命名为iPhone。

乔布斯可能曾对绿色激光不屑一顾，但对康宁来说，这种激光代表着定义这家公司的创新类型。对于康宁来说，实验的尊严是不可侵犯的，以至于该公司通常都会将10%的营收投入到研发领域中去。当电信行业泡沫在2000年破裂时，一落千丈的光纤价格导致康宁股价从100美元直落至2002年的1.50美元，但当时这家公司的首席执行官打消了科学家的疑虑，称康宁不仅仍要进行研究工作，而且研发还将是这家公司重拾繁荣景象的道路。

“在以技术为基础的公司中，康宁是非常少见的能将彻底改造自身作为常态的公司之一。”哈佛大学商学院的教授丽贝卡·亨德森（Rebecca Henderson）说道，她曾研究过康宁的创新史。“知易而行难。”康宁能取得成功的原因之一就在于，这家公司不仅拥有开发新技术的能力，而且还能找出利用新技术来进行大规模生产的方法。不过，即使康宁在这两个方面都能取得成功，制造商也经常都需要数十年时间来为康宁的创新技术找到一个合适的——而且还必须拥有够高的盈利能力——市场。正如亨德森所指出的那样，康宁的创新活动在很大程度上与其接受失败的想法，然后将其应用于其他地方的意愿和能力有关。

玻璃本质上是极细粉末的混合物，如石灰岩、沙子和硼酸钠等

让Chemcor样本重见天日的想法是在2005年突然迸发出来的，当时苹果甚至还没有进入手机领域。在这个想法出现以前不久，摩托罗拉发布了Razr V3，这是一款翻盖手机，其特点是使用玻璃显示屏取代了传统上的高强度塑料。康宁组建了一支不大的团队，负责研究类似于0317的玻璃是否能被重新启用，应用于手机和手表等产品。老的Chemcor样本有4毫米那么厚，但或许可以变薄一些。在进行了一些市场研究活动以后，公司高管认为，这种特种产品能给康宁带来少量利润。这个项目的代号名是“Gorilla Glass”（大猩猩玻璃）。

到乔布斯在2007年2月份打电话来的时候，这种初步的产品还没有得到很大的发展。当时苹果突然要求康宁大量生产1.3毫米厚的化学钢化玻璃——这是以前从来都没有被创造出来的东西，更不用说是生产了。从未进行过大规模生产的Chemcor是否能与某种流程“嫁接”到一起，从而创造出这种规模化的生产呢？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保持强度呢？化学钢化工艺是否能有效地应用于这样的一种玻璃呢？没人知道答案。所以对魏文德来说，当时他作出的决定是任何一位倾向于采取冒险活动的首席执行官都会去做的事情。他答应了苹果的要求。

玻璃是一种经常都会看到，以至于实际上已被人们熟视无睹的材料，但在实际上现代工业玻璃是极其复杂的一种东西。标准的钠钙玻璃用来生产瓶子和灯泡是很好的，但用于其他用途则会变得很糟糕，原因是这种玻璃破裂后会变成锋利的碎片。派热克斯（Pyrex）等硼硅酸盐玻璃在耐热方面可能表现优异，但需要太多的能量才能熔化。而与此同时，仅有两种方法能来大规模生产平板玻璃，分别是“熔融下拉”（fusion draw）制程和“浮法玻璃”（float glass）制程。玻璃公司所面临的挑战是将一种玻璃的成分构成及其想要的特质与工艺流程进行匹配。设计公式是一个问题，然后利用这个公式来生产一种产品则是第二个问题。

康宁正在开发新的弹性玻璃公式，这种玻璃将以卷轴的形式交货

无论成分构成如何，几乎所有玻璃的主要成分都是二氧化硅（也就是沙子）。由于二氧化硅的熔点（1720摄氏度）过高的缘故，必须使用氧化钠等其他化学品来降低熔化温度，从而使生产流程变得更加简单，同时降低生产成本。而在这些化学品中，有很多恰好能将玻璃与特定的属性融合在一起，比如说抗X射线、耐高温或是可折射光线等。但问题也随之而来，那就是当成分构成改变时，哪怕是最微小的调整也会让生产出来的玻璃变成一种完全不同的材料。举例来说，如果加入钡和镧等高密度元素，那么熔化温度将会降低，但风险是可能会沉淀不均。此外，最大化玻璃的强度意味着，当这种玻璃无法承受压力时，其碎裂的效果也更有可能会十分猛烈。玻璃是一种由“权衡取舍”法则主导的材料，这也正是玻璃的成分构成（尤其是那些经过细微调整来适应特定的生产流程的成分构成）是受到严密保护的秘密的原因所在。

在玻璃的生产过程中，最关键的步骤之一是冷却。就标准玻璃的大规模生产而言，基本的原则是材料需要逐步地、均匀地冷却，这样做的目的是最小化内应力，否则玻璃就容易破裂。但钢化玻璃的目标是在材料内层和外层之间提供更大应力，这会让玻璃变得更有强度：加热一块玻璃，直到其软化为止，然后迅速冷却或淬火其外层表面；外层会迅速收缩，而内层则仍处于熔化状态。在玻璃的中心冷却时，内层也会尝试收缩，从而拉动外层收缩；中心位置会形成一个张力地带，而外层则被压缩得更加紧密。如果凿穿这种强化后的外部压缩层，达到内部的张力地带，那么钢化玻璃就会最终碎裂。但是，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本身在冷却时的收缩程度，而大多数的成分构成都只会适量收缩。[!--empirenews.page--]

压缩与张力之间的相互作用能用所谓“鲁珀特王子的玻璃滴”（Prince Rupert’s drop，鲁珀特是莱茵王子，据说他喜欢用这种方式来恶作剧）的方法来进行最好的展示，也就是把熔化后的玻璃滴入冰水中，然后这些蝌蚪形状的玻璃滴将会迅速冷却和压缩，其“头部”将可承受数量庞大的“惩罚”，如连续的锤击等。但与此同时，“尾部”的条状玻璃则更脆弱一些；如果这一部分的条状玻璃破裂，那么裂痕就会以每小时2000英里（约合3218千米）的速度在整个玻璃滴中迅速传播开来，从而产生猛烈的后果。在某些情况下，“鲁珀特王子的玻璃滴”会发生爆炸，发出耀眼的光芒。

用来强化玻璃的化学钢化方法是在二十世纪六十年代开发出来的，通过所谓“离子交换”的方式来创造一个压缩层。“大猩猩玻璃”等玻璃所包含的铝硅酸盐成分包括二氧化硅、铝、镁和纳等元素，当这种玻璃被放入加热熔化后的钾盐中时，就会受热扩张。纳和钾在元素周期表中处于同一个纵列中，这意味着它们的行为是相似的。来自于钾盐的热量会提高钠离子从玻璃中向外移动的速度，类似的钾离子也会比较容易地游入，找到自己的位置。但是，由于钾离子比钠离子大的缘故，前者会更加紧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小的空间里，这样一来玻璃表面的抗压应力层就形成了。与热强化玻璃相比，化学钢化玻璃拥有更强的表面压缩度。

康宁工程师使用一系列设备来测试其产品的极限

到3月底的时候，康宁完成了自己的公式设计。但是，这家公司还需要生产出这种玻璃。发明一种新的制造工艺是不可能的，因为那可能需要几年时间。为了在苹果给出的最后期限以前完成这项工作，康宁的两名成分构成科学家亚当·埃里森（Adam Ellison）和马特·德吉内卡（Matt Dejneka）接到了一项任务，内容是找出如何改造公司已在使用的一种工艺，并对其进行故障排解。他们需要找出一种适合的工艺，能让康宁在短短几个星期时间里生产出大量超薄的玻璃。

当时实际上仅有一种选择，那就是“熔融下拉”制程。在这种制程中，熔化后的玻璃会从一个水箱被倒入一条被称为“隔热管”（isopipe）的耐火槽中，从这条耐火槽的两边外溢，然后在隔热管的下方重新汇聚，由滚动按照规定的速度“下拉”，从而形成连续不断的玻璃薄片；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”工艺的美国工厂位于肯塔基州的哈罗斯伯格（Harrodsburg）。在2007年初，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，每个水箱每小时都会生产出1000磅（约合456千克）以上用于电视面板的LCD玻璃，只需一个水箱就能满足苹果最初的要求。但首先要做的是，老Chemcor的成分构成必须重新进行公式设计。这种玻璃不仅需要1.3毫米的厚度，而且还必须拥有更好的视觉特性，比如说能用作公用电话亭的窗格玻璃等。埃里森和他领导下的团队有6个星期时间来重新设计公式。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别的延展性，就像是口香糖那样。问题在于，无论你做什么事情来提高玻璃的胶黏性，都会倾向于让其变得更加难以熔化。这些成分构成科学家发现，通过同时改变成分构成的7种单个部分的方式——包括改变几种氧化物的水平和加入一种新的秘密成分等——他们可以提高玻璃的粘性，同时还能生产出一种具有较高抗压应力和离子交换速度更快的玻璃。水箱在2007年5月份正式启动，到6月份已经可以生产出足以覆盖7个足球场的“大猩猩玻璃”。

在短短5年时间里，“大猩猩玻璃”已经从一种材料变成了一种美学——那是一种无缝的分割，能将我们物理上的自我与口袋中所携带的数字化身区分开来。我们触摸设备的外层，我们的身体会让显示屏下面的一个电极与其“邻居”之间的电路成为闭合的，从而将动作转换为数据。现在这种玻璃已经用于全球范围内的750多种产品和33个品牌，包括笔记本电脑、平板电脑、智能手机和电视等。如果你曾触摸、滑动或爱抚一种电子设备，那么就很有可能曾与“大猩猩玻璃”亲密接触过。

康宁来自于这种玻璃的营收已经从2007年的2000万美元大幅增长至2011年的7亿美元。除了触摸屏以外，这种玻璃还有其他的用途。在今年召开的伦敦设计节上，Eckersley O’Callaghan——负责苹果某些最具标志性的专卖店进行设计的公司——发布了一种类似于蛇纹石的玻璃雕塑，完全由“大猩猩玻璃”制成。这种玻璃甚至有可能再次变成挡风玻璃：康宁正在展开相关谈判，可能会将这种玻璃安装在未来的跑车车型上。

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“大猩猩玻璃”面板，将其放在木箱里。这些木箱会从哈罗斯伯格通过卡车运输的方式运送到路易斯维尔（Louisville），然后装载到一辆西行的火车上；在达到西海岸以后，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“最后修整”工厂，在那里这些玻璃会在装满熔化钾的器具中“洗澡”，然后被切割成可被触摸的长方形。

当然，虽然这种玻璃拥有那么多魔力般的属性，但如果迅速浏览互联网领域中发生的事件，那么就会发现“大猩猩玻璃”经常都会失败，而且有些时候这种失败非常引人注目。当手机掉到地上时，这种玻璃会破裂开来；在被弯折的时候，这种玻璃会出现蜘蛛纹；如果有人坐在这种玻璃上，那么也会压出裂缝。“大猩猩玻璃”毕竟也是玻璃，而这也正是康宁的一个团队为何要花时间对其进行改良的原因所在。

“我们将这个称为‘挪威之锤’。”“大猩猩玻璃”家族所有新玻璃开发工作的负责人杰明·艾敏（Jaymin Amin）说道，他从一个木箱中拉出了一个金属圆筒，这个工具被飞机工程师广泛用于测试飞机铝制机身的强度。但艾敏对这种工具的使用方式则是，他将这种装有弹簧的冲击锤体向后拉，然后再放手，从而释放出2焦耳的力量，对一块1毫米后的玻璃进行打击，这种力量足以在一块木头上打出一个凹痕，但这块玻璃却毫发无损。[!--empirenews.page--]

“大猩猩玻璃”的成功对康宁来说代表着某种独特的挑战，这是这家公司首次面临着如此迅速的迭代需求：每次有新版本的玻璃发布时，这种玻璃在特定领域中的表现都需要受到监控，目的是确保其可靠性和稳健性。为了做到这一点，艾敏及其领导下的团队搜集了数以百计的已破裂“大猩猩玻璃”手机。“几乎所有的破裂，无论是大是小，都是从一个点开始的。”康宁的高级研究科学家凯文·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。他的面前摆着许多显示屏破裂的手机，这部HTC手机是其中之一。一旦能找到那个点，那么就能开始对裂缝进行测量，从而了解张力是如何作用到玻璃上的；如果能复制一次破裂的过程，那么就能研究出破裂是如何传播的，并设法防止破裂的发生，无论是通过改变成分结构改变的方式，还是通过化学强化的方式。

在这种信息的“武装”下，艾敏的团队致力于一次又一次地重新创造精确的破裂过程，他们使用杠杆式压力机、滴落试验器、自由引力球体坠落以及多种工业弯折设备来进行这种测试，甚至还动用了一个高速摄像机，能以每秒钟100万帧的速度来研究曲折和裂纹是如何传播的。

所有这种毁坏和有控制的故意破坏的实验终于取得了成效。与最初版本的“大猩猩玻璃”相比，“大猩猩玻璃2”的强度提高了20%，而第三个版本则将在明年初面世。康宁的成分构成科学家将抗压应力推升到了极限，从而完成了这项任务——对于第一个版本的“大猩猩玻璃”，他们是相对保守的——与此同时，科学家们还设法避免了爆炸性破裂的可能性。不过，这种玻璃仍旧是一种相对易碎的材料。虽然这种脆弱的材料在受到压力时倾向于十分强硬，但在面临张力时却会变得非常脆弱：如果你弯折这种玻璃，那么就可能导致其破裂。对“大猩猩玻璃”来说，关键的问题在于压缩层会让裂纹不会传播到材料的其他部分，从而避免张力作用于这种玻璃时不会发生灾难性的后果。手机掉到地上一次，显示屏可能不会破裂，但有可能已经对其造成了足够的损害，使其无法抗拒以后承受的力量；在这种情况下，如果手机第二次掉到地上，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“权衡取舍”法则有关的材料来说，这是一种无可避免的后果。

现在让我们回到康宁的哈罗斯伯格工厂看一看。一名身穿黑色“大猩猩玻璃”T恤衫的男子正在引导一张100微米厚（大约相当于铝箔纸的厚度）的玻璃薄片通过一系列的滚筒。这台机器看起来就像是一部印刷机，而从这台机器中蜿蜒而出的玻璃就像是巨大的、微微发光的透明纸。这种超薄的、可卷动的材料被称为Willow。与“大猩猩玻璃”不同的是，Willow更像是“雨衣”，而“大猩猩玻璃”则被用作“装甲”。Willow分量很轻，也很耐用，拥有很大的潜力。康宁的设想是，这种玻璃将可促进有弹性的智能手机设计和超薄的、可卷动的OLED显示屏。对电力公司来说，也能使用Willow生产柔韧的太阳能电池。康宁甚至还构想了一种拥有玻璃页面的电子书。

到最后，Willow将以庞大的卷轴的形式交货————前提是，要有人下单购买这种玻璃——每个“卷轴”都最多有500英尺（约合152米）那么长。就现在而言，成卷的Willow玻璃还静静地躺在哈罗斯伯格工厂的地面上；它是一种解决方案，正等待着合适的问题的降临。