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Chemische Sensordisplays und andere überraschende Anwendungen von Glas
Eines Tages könnte Ihnen Ihr Smartphone auf Reisen auf eine neue Art und Weise helfen: indem es Ihnen sagt, ob das Wasser trinkbar ist.
Ein Slinky-ähnliches Objekt aus Gorilla-Glas mit neuer Laser-Fertigungstechnologie.
Obwohl eine Wasser-App noch nicht in der Nähe ist, haben Forscher bei Corning und anderswo kürzlich entdeckt, dass sie Gorilla Glass, das gehärtete Glas von Corning, das häufig auf Smartphone-Bildschirmen verwendet wird, verwenden könnten, um extrem empfindliche chemische und biologische Sensoren herzustellen. Es könnte etwa Spuren von Saringas in der Luft oder bestimmte Krankheitserreger im Wasser nachweisen.
Die Sensoren sind nur ein Projekt, von dem ich während eines Besuchs in den Forschungs- und Entwicklungslabors von Corning im Bundesstaat New York erfahren habe. In den letzten Jahrzehnten haben die Fortschritte von Corning in der Glasherstellung zu Technologien wie Faseroptik und Flachbildschirmen geführt. Dank Gorilla Glass ist es jetzt mit den neuesten Smartphones verbunden. Aber trotz des bemerkenswerten Erfolgs dieses Produkts ist es gespannt auf den nächsten Hightech-Boom.
Corning gibt etwa 8 Prozent seines Umsatzes für Forschung und Entwicklung aus – was sich in diesem Jahr auf etwa 800 Millionen US-Dollar belaufen wird. Es ist eine Absicherung gegen die sehr reale Möglichkeit, dass eines seiner Unternehmen dunkel werden könnte – wie es in der Vergangenheit geschehen ist. Zwischen 2000 und 2002 verlor Corning mehr als die Hälfte seines Umsatzes, als sein Glasfasergeschäft zusammen mit einem Großteil des restlichen Telekommunikationsmarktes zusammenbrach. Die Aktie stürzte von 113 $ auf knapp über 1 $ ab. In diesem Jahr bekam es einen weiteren Schrecken, als einer seiner größten Kunden, Apple, kurz davor stand, Gorilla-Glas in iPhones durch Saphir zu ersetzen (siehe Why Apple Failed to Make Sapphire Phones ).
Auf die eine oder andere Weise machen Displays etwa die Hälfte des Umsatzes von Corning aus, wobei etwa ein Drittel davon auf Gorilla Glass entfällt. Um diesen Markt zu erweitern und Herausforderungen durch andere Materialien standzuhalten, versucht Corning, Gorilla Glass um Fähigkeiten zu erweitern, wie z. B. die Sensoranwendung. Und es sucht nach neuen Märkten für Gorilla Glass jenseits von Displays.
Die Fähigkeit, Ihr Telefon in einen biologischen und chemischen Sensor zu verwandeln, ist eines der frühesten Projekte im Labor. Forscher von Corning und Polytechnique Montreal entdeckten, dass sie aus Gorilla-Glas sehr hochwertige Wellenleiter herstellen können, die das Licht eingrenzen und lenken. Die Forscher konnten diese Wellenleiter sehr nahe an die Oberfläche bringen, was für Sensoren unerlässlich ist. Wenn Sie dies in gewöhnlichem Glas tun würden, würde es zerbrechen. Bei der Herstellung des Wellenleiters wird ein Strahl intensiven Laserlichts nahe der Glasoberfläche fokussiert und dann entlang des Glases verfolgt, wodurch seine optischen Eigenschaften lokal verändert werden.
Um einen Sensor herzustellen, stellen die Forscher einen Wellenleiter her, der sich in zwei identische Lichtwege aufteilt. Dann laufen die Pfade zusammen, und das Licht von beiden Pfaden trifft sich. Ein Pfad dient als Erfassungspfad und der andere als Referenz. Sogar eine winzige Änderung des Lichts im Messpfad – wie beispielsweise seine Intensität – kann erkannt werden, indem beobachtet wird, wie das Licht von den beiden Pfaden interagiert, wenn sie sich treffen, wodurch unterschiedliche Muster entstehen.
Die Forscher demonstrierten einen einfachen Sensor, der Temperaturänderungen erkennt. Das Erhitzen des Messpfads verändert seine Form, was die Eigenschaften des durch ihn hindurchtretenden Lichts verändert. Da sich der Wellenleiter so nah an der Oberfläche befindet, tritt ein Teil des Lichts tatsächlich aus dem Glas aus, und alles, was auf der Glasoberfläche platziert wird, interagiert mit einem Teil des Lichts. Das bedeutet, dass Sie zur Herstellung eines chemischen oder biologischen Sensors die Oberfläche des Glases so präparieren könnten, dass ein bestimmtes Ziel daran bindet. Sie können es beispielsweise mit Antikörpern behandeln, die sich an E. coli binden. oder andere Verunreinigungen; Ihre Anwesenheit zu erkennen, wäre so einfach, wie einen Tropfen Wasser auf das Telefon zu geben.
Die Wellenleiter sind mikroskopisch dünn und daher unsichtbar, sodass sie ein Display nicht verdecken würden. Und weil sie ziemlich klein sind, könnten Sensoren für mehrere verschiedene biologische oder chemische Ziele in ein Smartphone integriert werden.
Corning-Forscher haben auch entdeckt, dass Gorilla-Glas nützliche akustische Eigenschaften hat. Es schwingt anders als herkömmliches Glas – es dämpft Schallwellen. Die einfachste Anwendung ist die Schalldämmung – sie blockiert Schall besser als gewöhnliches Glas.
Die gleichen akustischen Eigenschaften könnten aber auch Displays in Lautsprecher verwandeln. Ich habe einen solchen Prototyp in einem von Cornings Labors gesehen. Ein Draht im Display ist mit einem kleinen Aktuator verbunden, der das Glas vibrieren lässt, um Schallwellen zu erzeugen. Aufgrund der Art und Weise, wie sich die Wellen durch das Glas ausbreiten, können sie präziser gesteuert werden als bei gewöhnlichem Glas, was eine qualitativ hochwertigere Klangwiedergabe ermöglicht.
In einem anderen Labor zeigten Forscher ein scheinbar gewöhnliches Fenster. Dann verwandelte es sich durch Umlegen eines Schalters auf einer Platine in ein Display – eines, das eine alte Cola-Werbung zeigte – und ich konnte kaum erkennen, was sich hinter dem Bild verbarg. Als die Anzeige vorbei war, konnte ich wieder durch das Display sehen. Corning war besonders geheimnisvoll darüber, wie es gelang, diese Technologie zum Laufen zu bringen.
Das Unheimlichste, was ich sah, war ein Slinky-ähnliches Glasspielzeug. Es besteht aus dünnem Gorilla-Glas, das mit einem neuen Laser-Fertigungswerkzeug spiralförmig geschnitten wurde. Wenn Sie wie bei einem Slinky einen Teil halten und den Rest loslassen, dehnt er sich zum Boden aus. Gewöhnliches Glas würde einfach zerbrechen, aber weil es härter ist, springt dieses Glas wie Plastik zurück. Der Schlüssel zu einem so flexiblen Glas besteht darin, es dünn zu machen.
Corning hat kürzlich Willow Glass entwickelt, das etwa 100 Mikrometer dick ist, ein Viertel der Dicke des Gorilla-Glases, das normalerweise für Displays verwendet wird. Es kann in Rollen an die Kunden geliefert werden, was die Verwendung in der Fertigung einfacher und kostengünstiger macht. Potenzielle Kunden prüfen immer noch, wie sie es verwenden können; Eine mögliche Anwendung ist die als Komponente in Displays. Aber bereits jetzt ist eine noch flexiblere Glasart in der Entwicklung, sagt der Chief Technology Officer von Corning. David Morse . Es kann um den Rand von etwas so Dünnem wie dem Notizbuch eines Reporters gefaltet werden, und das millionenfach, ohne zu brechen. Es könnte in zukünftigen faltbaren elektronischen Geräten wichtig sein.
Corning wurde 1851 gegründet und überlebte in der Vergangenheit aufgrund seiner Fähigkeit, die Möglichkeiten von Glas immer wieder neu zu erfinden. Etwa zur gleichen Zeit, als der Glasfasermarkt einbrach, brach auch das Geschäft mit Glas für Kathodenstrahlröhrenfernseher ein. Es wurde durch einen Prozess gerettet, den es erfunden hatte, um das hochwertige Glas herzustellen, das für die Transistoren benötigt wird, die Pixel in LCD-Displays steuern – genau die Display-Technologie, die sein Kathodenstrahlgeschäft zerstörte. Ein paar Jahre später erhielt das Unternehmen einen Anruf von Steve Jobs, der widerstandsfähiges Glas für das erste iPhone benötigte. Corning hatte zufällig eine Technologie im Regal – das gehärtete Glas, das später Gorilla Glass genannt wurde. Corning hofft, für den nächsten Anruf bereit zu sein.