07.02.2013 Как это работает: Gorilla Glass
Возьмите в руки свой смартфон. Прикоснитесь к его экрану. Он гладкий, кристально чистый и удивительно устойчивый к внешним воздействиям? Значит, экран вашего смартфона защищен листом Corning Gorilla Glass.
Но что на самом деле означает Gorilla Glass? Как его делают и почему это стекло такое прочное?
Из этой статьи вы узнаете об истории создания, свойствах и сферах применения Gorilla Glass -- одной из самых интересных технологий, используемых в производстве современных мобильных устройств.
История
Среди всех компонентов современных мобильных гаджетов, Gorilla Glass, вероятно, имеет самый извилистый путь прихода в эту отрасль. Как и герои некоторых фантастических фильмов или занимательных комиксов, Corning Glass родилось в результате неудачного научного эксперимента.
В 1952 году исследователь из компании Corning, проводя испытания, поместил кусок светочувствительного стекла в печь. В какой-то момент температура в печи резко увеличилась с 600 до 900 градусов по Цельсию. Ожидая увидеть полностью разрушенный образец, ученый с удивлением обнаружил, вместо бесформенной оплавленной массы, лист непрозрачного материала. Доставая образец из печи, он случайно уронил его на пол. Но вместо того, чтобы разбиться, стекло отскочило от пола.
Не ведая того, ученый Дон Стуки (Don Stookey) только что изобрел гибрид стекла и керамики.
Новый материал был легче алюминия, прочнее обычного стекла, производимого в те годы, а по твердости он мог поспорить со сталью. Он проторил себе дорогу в различные отрасли, и сегодня его можно встретить в разнообразных изделиях: от ракет до микроволновых печей и жаропрочной стеклокерамической посуды Corningware.
В начале 1960-х был начат проект "Muscle", которым руководили ученые из Corning. Целью данного проекта являлся поиск способов повышения прочности стекла. В ходе этой работы обнаружилось, что если поместить новое стекло в ванну с калием, то за счет процессов ионного обмена прочность его повышается. А что такое ионный обмен?
Заглянем на официальный сайт Gorilla Glass:
- Ионный обмен -- это химический процесс, приводящий к увеличению прочности стекла, в ходе его большие ионы "набиваются" на поверхность стекла, увеличивая напряжение. Gorilla Glass специально разработано для того, чтобы данный процесс проходил с максимальной скоростью. Стекло помещается в горячую (около 400°C) ванну с расплавленной солью. Ионы натрия, имеющие меньший размер, выходят из стекла и замещаются более крупными ионами калия, находящимися в расплаве соли. Поскольку новые ионы крупнее, то им надо больше места, поэтому они сильно сжимают стекло при его охлаждении. В результате этого на поверхности стекла образуется сильно напряженный слой. Специально подобранный состав Gorilla Glass позволяет ионам калия проникать глубоко в толщу материала, формируя существенные силы напряжения в более глубоких слоях.
- Этот сжимающий слой формирует поверхность, обладающую повышенной устойчивостью к внешним механическим воздействиям, возникающим при использовании изделий в быту.
Если подытожить вышеописанное, то мы расширяем стекло нагреванием, заставляем большие ионы замещать на его поверхности маленькие, а затем охлаждаем. Вот и все. Не удивительно, что в итоге получается такой упругий материал. При обычном использовании изделий, редко возникают механические воздействия, способные повредить его! Итогом этого проекта стала технология, которая получила название "Chemcor". Конечной целью было получить продукт, пригодный для использования в различных отраслях. Представлялось, что новое стекло применимо везде -- от телефонной кабины до ветрового стекла автомобиля.
Но коммерциализировать разработку не удалось. Когда потенциальные потребители изложили свои пожелания к подобному материалу, стало ясно, что Chemcor не сможет удовлетворить их. Упругое стекло впечатлило производителей автомобилей, но они не решались приступить к его применению. Хотя и существовали явные преимущества использования легкого и прочного материала в автомобилестроении, но он заметно увеличивал стоимость конечного продукта. Многослойные стекла, использовавшиеся с 1930-х годов, неплохо справлялись со своими функциями.
За исключением нескольких заказов от заводов, изготавливающих защитные очки, которых разработчик предупредил, что, если это стекло все-таки разобьется, то вреда от него будет больше чем пользы, Chemcor практически никого серьезно не заинтересовал. Новый материал был использован лишь American Motors Corporation при изготовлении нескольких сотен Javelin, но другие производители автомобилей не посчитали целесообразным испытать его. Не получая поток доходов от нового материала, Corning отложила его на полку.
Почему мобильные устройства?
Перенесемся в 2006 год, когда Стив Джобс и его команда из Apple приступили к испытанию прототипа своего смартфона iPhone. Они заметили, что ключи или монеты, которые могут лежать в кармане рядом с трубкой, повреждают ее пластиковый экран. Преисполненный решимости найти более подходящий материал, Джобс отправил электронное письмо Уэнделлу Уиксу (Wendell Weeks) из Corning. Он просил г-на Уикса найти подходящее стекло для его нового устройства. Но Джобс не знал, что за год до его просьбы, Corning уже приступила к рассмотрению аналогичной идеи.
В 2005 году Motorola RAZR V3 заставил ее вспомнить о Corning. Могут ли изготовители мобильных телефонов стать покупателям их Chemcor, пылящегося на полке? Телефоны-раскладушки с относительно большими экранами начали активно продаваться, и ребята из Corning заинтересовались потенциально большим рынком. В конструкции RAZR использовалось ультратонкое стекло, а не пластик, который до того времени сохранял позиции стандартного материала. Мобильные телефоны теряли свою толщину, а в связи с этим, стекла, которые они использовали, должны становиться прочнее. Прекрасная ниша для Chemcor, но были и проблемы. Минимальная толщина стекла, которой удалось добиться инженерам компании, составляла 4 мм, а с этим было бесполезно идти к производителям мобильных устройств.
Воодушевленная идеей использования данного стекла, Apple направила в Corning перечень своих пожеланий к нему. Им было необходимо стекло толщиной 1,3 мм -- это более чем в 2 раза тоньше, по сравнению с тем, чего смогла добиться Corning, создавая Chemcor. Corning не стала рассказывать Apple о том, что Chemcor никогда не был в массовом производстве. А в Apple хотели опробовать это стекло немедленно, но ожидание затянулось почти полгода, и в компании начали сомневаться в реальности существования данного материала. Уикс по примеру Джобса: взял на себя риск и сказал "да" новому проекту. Он поставил перед своими учеными задачу по созданию стекла, которое удовлетворяло бы потребностям Apple. Проект получил название Gorilla Glass.
Создание Gorilla Glass
Стекло делают из песка, оно плоское и простое. Песок или диоксид кремния сплавляется с известью и карбонатом натрия, в результате получается масса, используемая для изготовления стекла. При изготовлении Gorilla Glass оксид кремния смешивается с другими ингредиентами. Добавляя в состав алюминий и кислород, получают алюмосиликат. В стекле увеличивают содержание ионов натрия, которые, как мы это узнали выше, очень важны для повышения его прочности.
Но до того как перейти к стадии ионного обмена, необходимо уменьшить толщину стекла, сделать его подходящим для сотовых телефонов и других мобильных устройств. Corning достигла этого при помощи процесса, получившего название "fusion draw" (плавка-вытягивание). Расплавленное стекло заполняет V-образную воронку до тех пор, пока она не переполнится. Когда масса начинает переливаться через край, расплавленное стекло устремляется вниз, где попадает на специальные ролики, отводящие его в сторону. Чем быстрее вращаются эти ролики, тем тоньше получается стекло.
На первый взгляд процесс кажется очень простым, но работа на этом не заканчивается. Gorilla Glass должно быть другим. Оно должно быть лучше. Конечно, новый состав обеспечивает высокую прочность при небольшой толщине, но материал должен быть максимально прозрачным, а как добиться этого, в Corning пока не знали. Помните, в тот момент, когда это стекло было изобретено, оно отличалось прочностью, но не прозрачностью. Была у компании и другая разработка - тонкое и очень прозрачное стекло, но оно было хрупким.
Подойти так близко и опустить руки? Нет, это не выход. Ученые нашли формулу и создали технологию, позволяющую получать тонкий, легкий и прочный материал... осталось добавить последние штрихи. Традиционно, закалка стекла осуществляется охлаждением с обеих сторон листа, в итоге две внешние поверхности служат своеобразными холодильниками, забирающим тепло у расположенной внутри, постепенно отвердевающей массы. Как ни странно, это увеличивает прочность стекла. Но такая закалка требует достаточно много времени, поэтому она не подходит для Gorilla Glass. При таком охлаждении может изменяться толщина стекла, появляются всевозможные дефекты. Для получения желаемого результата, ученые изменили некоторые из составляющих в своей формуле и добавили секретный ингредиент.
Corning был нужен успех с Gorilla Glass, и ученые смогли его обеспечить. Новый материал полностью отвечал необходимым требованиям. Прочный, легкий, гибкий, прозрачный, тонкий, он отлично подходил для использования в конструкции мобильных устройств. Corning преодолела трудности и победила.
Процесс тестирования
Итак, после того, как приготовленная смесь расплавлена, прокатана и подвергнута ионному обмену, начинается самое интересное. Теперь необходимо оценить насколько прочным получилось стекло на самом деле. Мы уже знаем, что этот материал устойчив к появлению царапин и довольно жизнеспособен в бытовой обстановке, но ведь ситуации бывают самыми различными, какие чудеса можно проделывать с этим стеклом? Самое время "разогнать" Gorilla Glass.
В этом видеоролике представлены фрагменты испытания Gorilla Glass на прочность и гибкость. На испытательных стендах имитируются самые различные ситуации.
Хотя данное стекло и не является устойчивым к абсолютно любым воздействием, все равно, оно гораздо лучше всего того, что использовалось до него. Подобные испытания помогаю ученым лучше разобраться в свойствах этого материала и найти способы его улучшения.
После Gorilla Glass
Желая сохранить за собой лидерство в создании защитных стекол для мобильных устройств, Corning постоянно занимается работой по совершенствованию своей оригинальной разработки. В итоге мы стали свидетелями появления Gorilla Glass 2, а совсем недавно -- Gorilla Glass 3. Рассказывая о второй версии Gorilla Glass, Corning утверждает, что смогла сделать ее на 20% тоньше, что положительно сказалось на удобстве использования мобильных гаджетов. Уменьшение толщины стекла, отделяющего сенсорный слой от ваших пальцев, сопровождается улучшением обратной связи и сокращением времени отклика.
Gorilla Glass 3 было продемонстрировано на выставке потребительской электроники в январе этого года в Лас-Вегасе. Как и следовало ожидать, стекло стало еще прочнее. По заявлению Corning, Gorilla Glass 3 в три раза более устойчиво к появлению царапин, по сравнению со второй версией Gorilla, а те листы, которые прошли испытания, выдерживают в два раза более высокое давление.
"Волшебники", работающие в Corning, хотят, чтобы стекло было не только прочным, но и гибким. Их целью является создание гибкого стекла, по толщине соответствующего листу бумаги. Оно будет изготавливаться прокатным способом, что существенно снизит цену конечного продукта. Но это не единственное преимущество гибкого стекла -- на повестке дня у Corning гибкие очки, устойчивые к царапинам и раскалыванию вдребезги. Кроме того, новое Gorilla Glass подойдет для гибких дисплеев, разрабатываемых Samsung и другими производителями.
Что еще можно ожидать от этого материала?
Мобильные технологии не стоят на месте, и Gorilla Glass должно поспевать за ними. Corning не останавливается на достигнутом, и даже идет на шаг впереди.
Статью подготовил Александр Никитин
Источник:
Nate Swanner