Защита от царапин
Думаю, всем знакомо то леденящее душу чувство, когда телефон выскальзывает из руки, а вы не успеваете перехватить его в полёте, – и вот он со зловещим хрустом падает на пол. Вы с тревогой и замирающим сердцем поднимаете его, – даже взглянуть страшно, чтобы проверить, уцелел ли экран. А потом, если каким-то чудом экран выжил, – как гора с плеч. Или же бешенство и отчаяние, когда всё сложилось не в вашу пользу. Однако если задуматься, сколько взаимодействий за день удаётся пережить вашему экрану: нелёгкое соседство в одном кармане со связкой ключей, трение о различные шероховатые поверхности или полёты со стола, – надо признать, что стекло, покрывающее дисплей, на удивление прочное. В удивительном месте оно и появилось.
Если ваши бабушки когда-нибудь подавали вам овощную запеканку с мясом в белой и с виду небьющейся кастрюльке из жаропрочного стекла с голубыми цветочками по бокам, значит, вы уже имели дело с материалом, который лёг в основу стекла, защищающего iPhone. Такая посуда сделана из «пирокерама»: гибрида стекла и керамики, созданного одной из крупнейших и старейших, а также новаторских стекольных компаний.
В начале пятидесятых годов один из изобретателей компании Corning, химик Дон Стуки, экспериментировал со светочувствительным стеклом в своей лаборатории в штаб-квартире компании, расположенной в северной части Нью-Йорка. Он поместил образец силиката лития в печь и установил температуру 600 °C – примерная температура печи для пиццы. Увы, неполадки в контроллере позволили температуре подняться до 900 °C – это близко к температуре лавы, когда она вытекает из глубин Земли наружу. Когда Стуки понял, что произошла ошибка, он открыл печную дверцу, ожидая увидеть неудавшийся эксперимент и поврежденное оборудование. Однако, к его величайшему удивлению, силикат преобразился в белую с желтоватым оттенком пластину. Когда он стал вынимать её из печи, пластина выскользнула из клещей и свалилась на пол. И удивительным образом она не разбилась, а лишь подскочила на полу.
Изобретатели к тому времени бились над ударопрочным стеклом уже полвека. В 1909 году французский химик и художник по имени Эдуард Бенедиктус забрался на лестницу в своей лаборатории и случайно уронил с полки стеклянную бутыль. Вопреки ожиданиям бутыль не разлетелась на сотни мелких осколков, а осталась целёхонькой, хоть и покрылась сетью трещин. С недоумением Бенедиктус принялся изучать треснувшее стекло и обнаружил, что внутри сосуда находился раствор нитрата целлюлозы, который испарился и покрыл стенки тонкой плёнкой. Именно она и удерживала осколки вместе, не давая им разлететься при падении бутыли.
Следующие сутки изобретатель провёл за экспериментами; он знал, что недавно появившиеся лобовые стёкла автомобилей очень опасны, так как легко разбиваются, но теперь он видел решение этой проблемы. Годом позже Бенедиктус оформил первый в мире патент на безопасное ударопрочное стекло. Но автопроизводители не заинтересовались значительно более высоким по стоимости стеклом, пусть и более безопасным. Так продолжалось до Первой мировой войны, когда изобретение Бенедиктуса стали использовать в противогазах для защиты глаз, а небьющееся стекло подешевело в производстве. С военной промышленностью всегда так происходит. И в 1919 году, спустя десятилетие после счастливого случая с бутылью Бенедиктуса, Генри Форд все-таки начал использовать этот материал для производства лобовых стекол своих автомобилей.
Но именно Дон Стуки первым додумался до синтетической стеклокерамики. В Corning решили назвать его изобретение «пирокерам» (тогда был конец шестидесятых и слова-гибриды встречались повсеместно). Материал был лёгким, прочнее стали и намного прочнее обычного стекла. Компания Corning продала задумку военным, где ей нашли применение в головках снарядов. Однако настоящий расцвет случился, когда Corning увидела возможность объединения стеклокерамики с ещё одной появившейся технологией: микроволнами. Серия посуды CorningWare прекрасно сочеталась с новой футуристической плитой для готовки, микроволновкой. Ее расхватывали, как горячие пирожки в морозный день.
В конце пятидесятых согласно известной среди сотрудников компании байке президент Corning Билл Декер как-то разговаривал с главой отдела исследований и разработок Уильямом Армистедом.
«Стёкло всё время бьется, – заметил Декер. – Почему вы до сих пор это не исправили?»
Посуда CorningWare не билась, но была непрозрачной. Учитывая популярность стеклокерамики, компания удвоила бюджет на исследования и разработки. И тогда Corning запустили проект, пафосно наречённый Project Muscle[16], главной целью которого стало создание более прочного и при этом прозрачного стекла. Команда исследователей изучила все способы усиления стекла, которые были известны на тот момент. Эти приемы делились на две категории: старая добрая термическая обработка, или укрепление стекла путём нагрева, и новая технология, связанная с наложением разных слоёв стекла, которые, подвергаясь тепловой обработке, по-разному расширялись. Исследователи надеялись, что, когда эти разнообразные слои остынут, их можно будет сжать, тем самым усилив конечный продукт. Опыты проекта «Силач», которые развернулись на полную в 1960–1961 годах, объединяли эти два вида обработки. Вскоре у Corning получилось новое, сверхпрочное, небьющееся – и устойчивое к царапинам – стекло.
«Прорыв случился, когда учёные компании доработали ранее открытый метод усиления стекла, который включал в себя его погружение в ванну с горячей калиевой солью, – объясняет Брайан Гардинер, репортёр, исследовавший в 2012 году отношения Corning с Apple. – Они открыли, что, если перед погружением стекла добавить в его состав оксид алюминия, то оно станет значительно прочнее». В основу такого инновационного химического способа усиления стекла лег новый метод, называемый ионообменным. Сперва песок – ключевой ингредиент большинства стекол – смешивается с химическими реагентами, и получается алюмосиликат натрия. Затем стекло погружается в калиевую соль и нагревается до 400 °C. В результате ионного обмена ионы натрия на поверхности исходного вещества замещаются более тяжелыми и крупными ионами калия, «создавая эффект сжатия», так объясняют в Corning. Они назвали новое стекло Chemcor. Оно было в разы прочнее обычного стекла, а главное – сквозь него всё было видно.
Chemcor был в пятнадцать раз крепче простого стекла: говорилось, что оно способно выдержать давление до 45 тонн на дюйм (6,45 см²). Конечно же, учёным нужно было знать наверняка, поэтому они устроили чудо-стеклу нагрузочный тест. Они швыряли стаканы, сделанные из Chemcor, с крыши исследовательского центра на железные пластины – всё было цело, ничего не разбилось. Поэтому они усложнили задачу: в одном из экспериментов они бросали в листы из свежеизобретённого стекла замороженных кур. Снова удача – Chemcor оказался устойчив к нападению замороженной птицы.
К 1962 году в Corning решили, что новое стекло готово к публичному показу. Однако они совершенно не представляли, каким образом вывести Chemcor на рынок – точнее, идей было слишком много. Так что руководство Corning устроило пресс-конференцию в центре Манхэттена, чтобы продемонстрировать возможности товара, и пусть рынок сам приходит с предложениями. Они били, гнули и сдавливали стекло, и ничто не могло его разбить. Выступление стало прекрасной рекламной кампанией: в Corning посыпались тысячи вопросов о новинке. Компания Bell Telephone задумалась над применением Chemcor для защиты телефонных будок от вандалов. Оптикам тоже понравилось изобретение. Сами же сотрудники Corning разработали порядка семидесяти вариантов потенциальной реализации продукта, включая крепкие окна для тюрем и, конечно же, небьющиеся лобовые стёкла для автомобилей.
Но, как и в случае с Бенедиктусом, в конечном итоге мало кто проявил интерес к задумке. Для автопроизводителей, которые уже давно облюбовали технику нашего французского друга, Chemcor оказался слишком прочным. Когда автопроизводители провели краш-тест с новым стеклом, оказалось, что «человеческий череп не переживет столкновения с ним», рассказывает Гардинер. В случае аварии ветровые стёкла просто обязаны разбиваться, чтобы у человека оставался шанс выжить. Chemcor облюбовала автомобильная корпорация AMC для своих «пони-автомобилей» Javelin, но их очень скоро сняли с производства.
К 1969 году в Chemcor инвестировали сорок два миллиона долларов, и он был готов остеклить весь мир. Однако рынок диктовал свои условия: никто не нуждался в суперпрочном дорогостоящем стекле. Слишком уж оно дорогое и слишком уж специфичное. В 1971 году Chemcor и проект «Силач» ушли в отставку.
Тридцать пять лет спустя, в сентябре 2006 года, всего за четыре месяца до решения Стива Джобса презентовать миру iPhone, раздражённый глава Apple ворвался в штаб-квартиру.
– Ты только взгляни, – бросил он руководителю отдела, показывая прототип iPhone с усеянным царапинами дисплеем – жертву сожительства в одном кармане с ключами. – Нет, ты только посмотри, во что превратился экран!
– Стив, у нас есть стеклянный прототип, – ответил тот, – но тесты показывают, что в сотне из ста случаев при падении с метровой высоты он разбивается…
Джобс оборвал его.
– Меня интересует только одно: вы собираетесь заставить эту грёбаную вещь нормально работать или нет?
Диалог можно считать примечательной зарисовкой ультраджобсонутости, но тем не менее он дал толчок дальнейшим исследованиям.
«Мы перешли с пластика на стекло в самую последнюю минуту – оно нам просто свалилось как снег на голову, – смеясь, рассказывает Тони Фаделл, глава первой команды разработчиков, трудившихся над iPhone. – И такие неожиданности случались постоянно».
Изначально iPhone планировали выпустить с плексигласовым дисплеем, как у iPod. Встряска, устроенная Джобсом, оставила команде iPhone минимум времени, чтобы найти замену, которая сможет пережить проверку падением. Проблема заключалась в том, что на рынке стекол не было ничего, что удовлетворяло бы их запросам: предлагаемые стёкла, как правило, были либо слишком хрупкие и ненадёжные, либо слишком толстые и некрасивые. Так что сначала Apple попробовали упрочнить стёкло собственными силами. Все записи об исследованиях в данной области слишком расплывчаты, чтобы понять, насколько серьёзно компания подошла к вопросу и как долго продлились разработки, но в середине нулевых отдел материаловедения Apple был довольно скромным, и от проекта в итоге отказались.