本文回溯了大猩猩玻璃（一种强化玻璃）这一产品诞生的奇迹，这是一项可以保护全球数十亿智能手机、平板电脑和笔记本电脑免受意外的发明。
詹姆斯 · 麦肯齐（James McKenzie）热衷于那些不经意间对生活产生深远影响的意外发现。例如：由 3M开发的非黏性胶水促进了便利贴的使用；威廉 · 伦琴 （Wilhelm R?ntgen） 发现的 X 射线是对诊断医学技术的革新；美国雷神公司的物理学家珀西 · 勒巴隆 · 斯宾塞（Percy Lebaron Spencer）在偶然发现雷达装置发出的微波可以融化口袋里的巧克力后研发了一种新型烤箱。
像这样的偶然发现说明了为什么研发“目标性”产品也许并不总是一个好主意，因为这类投机或试错实验的优势在于它们可以带来难以预测的新发现。比如美国化学家史蒂芬妮 · 克沃莱克（Stephanie Kwolek）在1964年为杜邦公司工作时，在寻找一种用于轮胎的坚固新型轻质纤维时发明了凯夫拉纤维（一种合成纤维）。
但本文论述的重点放在纽约州北部的康宁玻璃工厂。早在 20世纪40 年代初，该公司就对玻璃这种所谓的透明材料很感兴趣，他们发现如果长时间将玻璃暴露在太阳的热量和光线下，它会变暗和变色。康宁公司的化学家罗伯特 · 道尔顿（Robert Dalton）将透明红宝石玻璃样品暴露在紫外线下，烘烤后发现玻璃出现不同深浅的颜色。另一位化学家唐纳德 · 斯图基（Donald Stookey）于 1940 年参与探索这种奇妙的新型感光玻璃在摄影领域的应用，最终催生了一种透明的铝硅酸盐玻璃，它会在包含微量的金、银或铜的情况下变得感光。斯图基发现甚至可以对其进行3D设计蚀刻，然后将这种玻璃以“照片”的形式出售，后来其也被用作电子封装材料和彩色电视机的孔径掩模。
真正的神来之笔发生在 1953 年，当时斯图基想要将玻璃加热到 600℃，然而熔炉出现了故障，错误地将玻璃加热到 900℃。当他试图用钳子从热烘箱中取出样品时，样品不慎滑落摔在了地板上，但神奇的是，玻璃并没有破碎，而是发生了反弹。
于是斯图基创造了一种包含分散在各处的不同形状和大小微晶体的新型玻璃材料——玻璃陶瓷，随后的工作促使康宁公司将这种材料开发成享誉盛名的康宁厨具系列，如炖锅和烹饪锅。它们具有很好的耐热冲击性能——即使直接将其从冰箱移到热烤箱中也不会破裂。基于此，康宁锅具跻身成为斯图基价值数百万美元的发明之一。
独特的混合物
斯图基带领的团队偶然发现的这种具有独特特性的耐高温微晶玻璃，其商品名是Pyroceram，不仅耐热，而且非常坚硬。这种材料还被应用于军事领域，例如用于导弹的超音速雷达头锥。后来，在20世纪60年代，康宁公司开发了一种新的Pyroceram材料，这种材料是不反光的，但是对可见光是透明的。
该公司最初担心它会影响康宁自 1915 年以来一直很有竞争力的 Pyrex 系列硼硅酸盐玻璃器皿的销售，故选择不将这种新产品商业化。但到20世纪70年代，研究人员通过申请专利开发了一种琥珀色的Pyroceram版本，后又衍生出一系列新的厨具，并以“愿景”品牌命名。
与此同时，作为公司“肌肉计划”的一部分，康宁一直在探索如何使玻璃更坚固。大多数玻璃可通过加热到高温后迅速冷却来强化其硬度，因为回火过程中外部的冷却速度会比内部快得多，这个过程被称为钢化。这样的温度梯度使玻璃内部处于张力状态并压缩外表面，这样铸造而成的玻璃更坚固，不太可能出现微观裂缝和缺陷。
然而，随着玻璃厚度的减少，想要在玻璃内部和表面之间建立显著的冷却速率差异变得更加困难。20世纪60 年代，研发人员发现了一种强化玻璃的化学方法，即用化学介质中的较大离子替代玻璃中的较小离子。在这种“离子交换”过程，玻璃表面被高度压缩，因此不易损坏和引入可能使其破裂的应力。
这种强化玻璃以Chemcor命名销售，直到20世纪90年代初，一直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。但一切都在2007 年1月发生了变化。
进入智能手机
那年苹果公司的首席执行官史蒂夫 · 乔布斯 （Steve Jobs） 在旧金山举行的“苹果世界”大会上登台亮相，并推出了一款革命性的新设备——第一代苹果手机（iphone）。在那之前，智能手机一直被认为是笨重、丑陋的，配置的键盘也很复杂，而这款新推出的3.5英寸 iPhone是首次为客户提供带有内置摄像头和网络浏览功能的光滑触摸屏设备。
但是，在乔布斯激动地向世界展示这款设备的第二天，他就抱怨一直放在口袋里的iPhone屏幕上出现了小划痕，这是因为当天展示的iPhone原型机屏幕是塑料的，虽然其拥有高机械强度，但也很容易划伤。几年前，康宁曾向乔布斯展示了公司的玻璃技术，于是距iPhone上市仅剩五个月时，乔布斯坚持iPhone必须配备玻璃屏幕。
据苹果公司首席运营官杰夫 · 威廉姆斯（Jeff Williams）回忆，他曾告诉乔布斯，他的要求是不可能完成的。他当时坚称至少需要三到四年的时间才能开发出能够满足乔布斯的要求的玻璃。 “我说，所有现有的玻璃都已经测试过了，当手机掉落时屏幕百分百会破裂。他说，虽然不知道怎么做，但是六月iPhone发售时，屏幕会是玻璃的。”
跌落测试：康宁研发人员通过从2米高空使屏幕跌落到坚硬、粗糙的表面上来检查屏幕硬度
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，他表示康宁开始重新研究用于智能手机的大猩猩玻璃（即Chemcor玻璃）解决苹果问题的方法。在接下来被威廉姆斯称之为“地狱”的几个月里，两家公司实现了Chemcor与iPhone产品的合体。
“当产品在2007年6月推出时，客户手中的 iPhone不但具有玻璃的光滑触感，并且十分耐用，”威廉姆斯回忆道，“康宁玻璃为 iPhone 定下了基调和市场主导地位。”第一代iPhone搭载的防刮玻璃一直是iPhone成功的关键因素。
市场主导
在早期的智能手机中，大猩猩玻璃的缺点显示在其厚度，大约1毫米，如果再厚一点，当时使用的电容式液晶显示器就不能很好地工作。尽管这种玻璃很厚，但却满足了乔布斯所要求的坚硬、柔韧和耐用。如今，康宁推出了其第七代大猩猩玻璃，厚度仅为 0.3～ 0.5 毫米。当然，即使有很多竞争对手，如日本AGC Inc的升龙玻璃（Dragontrail）和德国Schott公司的Xensation，大猩猩玻璃仍在市场上占主导地位。
截至2017 年，大猩猩玻璃已被全球 40 家主要制造商应用于包括苹果系列等1 800多种产品。根据专家市场调研公司的统计数据表明：2020 年全球智能手机玻璃市场价值约 16.3亿美元，其中大猩猩玻璃占据近 60 亿台设备的广阔市场。然而，苹果智能手机的所有玻璃都是由康宁公司提供的，随着每一代设备的推出，该公司使用的玻璃越来越多。
当然，即使大猩猩玻璃已经非常坚韧了，智能手机掉落后屏幕也会遭到损坏，这就是为什么通常由类似的玻璃材料制成的屏幕保护膜也顺带具有积极的市场。根据新闻网站MarketWatch 2022年的一份报告，该市场份额预计将从 2020年的23亿美元增长到2026年的54亿美元，毕竟，没人愿意花1 000多英镑买一部几乎不能刮蹭的手机!
你能想象市场对每次放在口袋里都会被刮伤的iPhone会有何反应吗？如果当初乔布斯推出了配备塑料屏幕的iPhone，无论这个想法有多么酷，这款设备也极有可能会被扼杀，因此手机屏幕必须是玻璃的。然而这一切都起源于1953年康宁玻璃厂的一次拙劣的实验和一个损坏的烤箱，如果没有这种难以预料的偶然性，我们可能永远不会获得今天的成功。
康宁公司的化学家唐纳德·斯图基
唐纳德·斯图基
（1915—2014）
如果没有化学家斯图基这一偶然发现，那么保护数十亿智能手机和平板电脑（包括所有苹果产品）的大猩猩玻璃可能永远不会问世。1953 年斯图基在康宁玻璃厂工作时，偶然发现了玻璃陶瓷，这衍生出一系列康宁锅具、化学强化玻璃，并最终促进大猩猩玻璃的发展。在康宁公司工作的 47 年期间，斯图基还开发了光敏玻璃和光致变色玻璃眼镜等共计60 多项专利。1986 年，罗纳德·里根（Ronald Reagan）总统授予斯图基美国国家技术奖章。当斯图基在1987 年作为康宁公司的基础化学研究总监退休时，他留下的宝贵财富包括斯图基奖，该奖项每年颁发给公司的一位科学家，以表彰其“杰出的探索性成就”。
资料来源 Physics World
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本文作者詹姆斯·麦肯齐（James McKenzie）是《物理世界》（Physics World）杂志的专栏作者，主要撰写工业物理方面的文章。