Smartphone Futurology: Videnskaben bag smartphoneglas

Velkommen til Smartphone Futurology. I denne nye serie videnskabeligt fyldte artikler, Mobile Nationer gæstebidragyder Shen Ye gennemgår nuværende teknologier, der er i brug i vores telefoner, samt de banebrydende ting, der stadig udvikles i laboratoriet. Der er en hel del videnskab i vente, da mange af de fremtidige diskussioner er baseret på videnskabelige papirer med en stor mængde teknisk jargon, men vi har forsøgt at holde tingene så enkle og enkle som muligt. Så hvis du vil dykke dybere ned i, hvordan tarmene på din telefon fungerer, er dette serien for dig.

Dette er den sidste rate - for nu - i vores serie om fremtiden for smartphone-teknologi. Denne uge dækker vi videnskaben bag et virkelig vigtigt område med smartphone-byggekvalitet - glasset på berøringsskærmen. Og når vi afslutter serien, vil vi også se, hvordan den aktuelle tilstand af mobilteknologi sammenlignes med forudsigelser, der blev fremsat for næsten et årti siden. Læs videre for at lære mere.

Om forfatteren

Shen Ye er en Android-udvikler og MSci-kandidat i kemi fra University of Bristol. Fang ham på Twitter @shen og Google+ + ShenYe.

Mere i denne serie

Sørg for at tjekke de første tre rater af vores Smartphone Futurology-serie, der dækker fremtiden for batteriteknologi, smartphone display tech og processorer og hukommelse.

Hærdet glas

Milliarder dollars bruges på skærmreparationer hvert år, hvor en del af brugerne beslutter at leve med deres revnede skærm i stedet for at bruge penge på reparationer. Næsten alle flagskibstelefoner fra 2014 brugte Gorilla Glass 3 af Corning, selvom nogle i stedet vælger generisk hærdet glas. Moderne hærdet glas er resultatet af flere termiske og kemiske behandlingsprocesser, hvilket øger materialets styrke sammenlignet med almindeligt glas.

Hvis du ser på overfladen af ​​et glasark under et mikroskop, vil du opdage, at det er fyldt med små mangler og mikrorevner. Disse fejl udgør glas virkelig modtagelige for brud. Hvis der påføres nok stress, kan disse revner sprede sig, knække og resultere i et brudt glasplade. Hvis du forestiller dig 2 ark papir, er det ene perfekt, og det ene har en lille tåre i midten. Hvis du trak i siderne af papirarkene, vil arket med den lille rive kræve betydeligt mindre kraft for at rive. Forestil dig nu, at hvis den lille tåre lå ved kanten af ​​papirarket, kræves der endnu mindre kraft for at det kan sprede sig og til sidst vippe papiret i halvdelen. Stress kan opbygges meget let ved kanter og endnu mere i skarpe hjørner; det er grunden til, at fly skal have vinduer med afrundede hjørner.

Almindeligt glas er faktisk fyldt med små mangler og revner - hærdet glas lukker disse op ved hjælp af en række forskellige teknikker.

Gorilla Glass er en type hærdet glas kendt som "alkali-aluminosilikatglas". Det er det mest kendte mærke i hærdet glas til smartphones, der bruges i populære Android- og Windows-telefoner som Samsung Galaxy S5, HTC One M8og mange Lumia-håndsæt. De termiske processer tempererer glasset, hvilket forårsager en kompressionskraft på glassets ydre overflade. Dette hærder glasset ved at lukke nogle af disse mikro revner, men også gøre glasset mere sikkert - hvis glasset går i stykker, splintres det i små stykker i stedet for store farlige skår (svarende til en Prins Ruperts dråbe). Bortset fra hærdning hærder en kemisk proces kendt som "ionbytning" også materialet.

Glasset indeholder meget natrium fra fremstillingsprocessen. Da det dyppes i et varmt smeltet kaliumbad, bevæger kaliumionerne sig ind i glasset og fortrænger natriumionerne. Kalium er større end natrium, og dette medfører også kompressionskraft på overfladen af ​​glasset - ligesom hærdning - hvilket hærder glasset.

Hærdet glas er ekstremt hårdt. Den accepterede metode til klassificering af hårdhed er at bruge "Vickers hårdhedstest". Gorilla Glass 3 er hårdere end de fleste metaller og sandsynligvis det hårdeste materiale på overfladen af ​​din telefon. Mens du lægger din telefon i samme lomme, som dine mønter og nøgler muligvis ikke får din skærm til at ridse, vil chassiset sandsynligvis opfange nogle tegn på skade. Ser man på offentliggjorte specifikationer af Gorilla Glass er der en række vurderinger, der beskriver forskellige slags sejhed.

• Young's Modulus - beskriver et materiales elasticitet. Højere antal betyder, at materialet er stivere, men bivirkningen af ​​dette er stigning i skørhed.
• Poisson-forhold - materialets aksiale spænding, når det trækkes eller skubbes. Forestil dig at strække et stykke tyggegummi - midten af ​​det bliver tyndere.
• Shear Modulus - beskriver materialets reaktion på klipning, en meget vigtig faktor, når det kommer til at forhindre, at der dannes revner.
• Brudstyrke - måling af materialets modstandsdygtighed over for spredning af sprængning.

Når man sammenligner ovenstående værdier mellem Gorilla Glass 3 og den for nylig annoncerede Gorilla Glass 4, den store forskel er, at vi får et lavere Youngs modul, så det skal være mindre skørt. Imidlertid afslører sektionen Chemical Strengthening mere end det dobbelte af dybdelaget fra 40 µm til 90 µm. Dette øger GG4s modstandsdygtighed over for revner og spredning af sprængning i høj grad med et tykkere komprimeret overfladelag. Billedet nedenfor viser tværsnit, der sammenligner skadesmodstand mellem Gorilla Glass 3 og 4:

Billedkredit: Corning

Men hvis du bruger en skærmbeskytter, bliver forskellene mindre markante. Skærmbeskyttere hjælper med at sprede stødspænding nok til at forhindre, at der opbygges betydelig stress på et sted for at forårsage brud. Uanset hvor meget du hærder glas, kan du ikke helt fjerne alle disse naturlige defekter, hvorfor nogle producenter begynder at overveje mere eksotiske materialer som safir.

Syntetisk safir

Sidste år var der meget hype omkring rapporter om, at iPhone 6 ville have et display fremstillet af syntetisk safir i stedet for hærdet glas. Hele arket ville naturligvis ikke være lavet af krystallinsk safir (det ville være for skørt), men snarere en safirkomposit, der giver materialet en vis elasticitet. Konventionelle fremstillingsmetoder involverer anvendelse af et tyndt lag glas som et substrat, hvorpå aluminiumoxid afsættes, og der dannes et tyndt lag krystallinsk safir på overfladen. Safiren har en dramatisk højere Vickers hårdhed end konventionelt hærdet glas, hvilket gør den mere modstandsdygtig over for ridser.

Safirskærme er betydeligt hårdere end hærdet glas ...

Omkostningerne ved fremstilling af safirskærme er imidlertid enormt højere end hærdet glas, så det er sjældent brugt til enhedsdisplays og lejlighedsvis brugt som linsedæksel til smartphone-kameraer, for eksempel i nyere iPhone-modeller. Der er dog grund til at være håbefuld for billigere safirskærme i fremtiden, da prisen på safirproduktion gradvist falder, efterhånden som processerne bliver mere optimerede.

Før lanceringen blev iPhone 6 rygtet om at bruge en safirskærm - i virkeligheden bruger den ionstyrket glas.

... men produktionsomkostningerne er højere, og der er andre tekniske udfordringer at løse.

Ifølge Cornings eksekutive opvejer safirens forbedrede hårdhed dog ikke dets ulemper. Det har en lavere lystransmission, som vil påvirke batteriets levetid (på grund af højere baggrundslysniveauer, der kræves), det er 10 gange dyrere end glas, tager meget længere tid at fremstille, er 1,6 gange tungere og er mindre modstandsdygtigt over for revner. Corning er naturligvis stærkt investeret i sin Gorilla Glass-teknologi og har grund til at hælde koldt vand på dette konkurrerende materiale.

Med producenter inklusive Kyocera og Huawei ved hjælp af safirskærme, får vi se, hvor godt enheden tåler generel brug. Huawei eksekverede fortalte Android Central på IFA 2014, at virksomheden forventede, at telefoner med safirskærme ville blive en voksende niche i det følgende år. I mellemtiden blev Kyoceras Brigadier, et robust håndsæt med safir på skærmen, kaldet "næsten uforgængeligt" efter omfattende test af Android Central.

Når safirfremstillingsprocesserne bliver mere raffinerede og billigere, ser vi måske flere producenter, der vedtager krystallen i deres enhedsbygninger.

Antibakterielle skærme

Selvom vi aldrig rigtig tænker over det, kan vores smartphone-berøringsskærme bære en utrolig mængde bakterier fra mange miljøer. Og med smartphone-markedet kun vokset hurtigt i de sidste par år, har der ikke rigtig været meget forskning i, hvordan man kan bekæmpe dette.

Din smartphone-skærm er helt beskidt - men videnskaben kan hjælpe.

Et tysk universitet prøvede 60 berøringsskærme¹ og opdagede, at en urenset berøringsskærm indeholdt i gennemsnit 1,37 bakteriedannende enheder pr. kvadratcentimeter. Dette er faktisk ikke så højt, størrelsesordener lavere end for en svamp i køkkenet, men et par gange højere end et toiletsæde på hospitalet². Dette antal blev reduceret til 0,22 efter rengøring med en mikrofiberklud og 0,06 efter rengøring med en spritserviet - renere end et toiletsæde efter rengøring med rengøringsmiddel. Forskerne identificerede, at størstedelen af ​​bakterierne stammede fra menneskelig hud, mund og lunger - ikke overraskende, da vi holder vores enheder så tæt på vores ansigt. De fleste mennesker rengør ikke deres smartphone-skærme regelmæssigt, så berøringsskærme har absolut potentialet til at sprede bakterier til andre.

I begyndelsen af ​​2014 afslørede Corning deres antimikrobielle Corning Gorilla Glass på CES. Det var det første EPA-registrerede antimikrobielle displayglas. Displayet er i det væsentlige belagt med en tynd film af sølvioner, der har utrolige antimikrobielle egenskaber og rapporteres at dræbe 90% af bakterier, alger, skimmelsvamp og svampe på overfladen. Sølv er i vid udstrækning blevet brugt på hospitaler for sin antimikrobielle virkning, hvilket bidrager til at forhindre spredning af MRSA, og det blev faktisk brugt til at klæde sår i første verdenskrig for at forhindre infektion.

Mængden af ​​sølv, der kræves til den tynde film på smartphone-skærme, er meget lav, men det vil i sidste ende være op til producenterne, om de vil have de ekstra dollars på deres enheds regning eller ikke. Ikke desto mindre, med sundheds- og fitnessfunktioner, der bliver centrale dele af mange smartphones, kan antibakterielle skærme udgøre et andet differentieringspunkt for telefonproducenter.

Billedkredit: Tactus

Morphing vises

Tactus Technologies, en opstart i Californien, har vist sin innovative morphing touchscreen-teknologi. Når den er i hviletilstand, ligner den en almindelig berøringsskærm, men når den er aktiveret, kan den generere en række udragende figurer svarende til det, der kører på enheden. Eksemplet, de viser, er en enhed, hvor tasterne stikker ud, når det bløde tastatur vises på skærmen, hvilket giver brugeren en vis taktil feedback.

Brugere behøver ikke at trykke de enkelte taster ned, bare ved at berøre dem registreres tastetrykket. Det er en imponerende teknologi, der er udviklet i flere år, men som endnu ikke er implementeret i en forbrugerenhed. Da hardwaretastaturer bliver opgivet af producenterne, da de forfølger tyndere enhedsdesign, kan Tactus være det, som hardwaretastaturfans leder efter.

Interaktive hologrammer

På ACM Symposium om software og teknologi til brugergrænseflade i år afslørede University of Tokyo deres prototype display kaldet HaptoMime³. Det er et interaktionssystem i luften, der fungerer som en flydende berøringsskærm, som kan stimulere dine fingerspidser ved hjælp af ultralyd for at give taktil feedback. Ved hjælp af en billedplade omdannes et billede på en skærm til et flydende hologram. Når systemet registrerer, at brugeren "berører" hologrammet, vil den ultralydsfasede arraytransducer skabe en følelse af brugerens fingerspids.

Teknologien fungerer ikke kun med hologrammer, men også med 3D-skærme. Det bringer os et skridt tættere på interaktion med Tony Stark-stil med vores digitale enheder. Dette vil sandsynligvis aldrig blive monteret i en smartphone, men det er muligt, at det kunne blive klemt ind i en tabletlignende enhed på et eller andet tidspunkt i fremtiden.

Fremtiden for smartphone-teknologi - Er vi der endnu?

Tilbage i februar 2008, 7 måneder før den første udgivelse af Android, afslørede Nokia en koncepttelefon - Nokia Morph. Nokia Research Center og University of Cambridge's Nanoscience Center samarbejdede om dette projekt for at producere en koncept telefon, som de mener er fremtiden for smartphones, med fokus på nanoteknologiske applikationer i bærbar enheder.

Hvordan sammenlignes Nokias vision om fremtidig mobilteknologi med det, vi har i dag?

Enheden fremhævede:

• Bøjelig, gennemskinnelig enhed
• Selvrensende overflade
• 3D fremspringende overflade (som Tactus-skærmen)
• Solopladning via "nanograss" -teknologi
• Talrige integrerede sensorer til sensorfaktorer såsom luftforurening og hygiejne

Nokia forudsagde, at sådanne teknologier ville være tilgængelig inden 2015, så hvor langt er videnskaben kommet til at tillade sådanne funktioner i en enhed? I de to første artikler i denne serie så vi, hvordan LG har oprettet en gennemskinnelig bøjelig OLED-skærm og der er to kandidater til bøjelige lithiumbatterier - lithiumkeramik og lithiumpolymer med fleksibel komponenter. Vi har ikke selvrensende overflader endnu, men der har været en stor indsats for at udvikle bedre oleofob belægning til glas for at hjælpe med at holde fedtet udtværing fra vores enheder. Nuværende prototyper af "nanofur" er modtagelige for, at belægningerne gnides af gennem generel friktion i vores lommer.

Billedkredit: University of Massachusetts, Stanford University

Et gennembrud inden for forskning i nanograss blev først for nylig offentliggjort af et samarbejde mellem to universiteter i USA⁴. Ved hjælp af et ark grafen kunne de tæt anbringe søjler af højeffektivt solcellemateriale - materiale, der omdanner lys til elektrisk energi. Strukturen af ​​nanograss øger overfladen meget, som er i kontakt med sollys, hvilket forbedrer effektiviteten med 33% i forhold til tyndfilms solpaneler.

Billedkredit: Tzoa

Endelig videre til Nokias forudsagte forurenings- og hygiejnesensorer. I begyndelsen af ​​december dukkede en Kickstarter-side op til en enhed kaldet en Tzoa, ifølge siden er det den første bærbare, der måler luftforureningen i det nærmeste miljø. Den opretter forbindelse direkte til din smartphone og sender både luftforureningsdata og UV-eksponeringsdata. Sonden registrerer ikke den kemiske forurening i luften, men detekterer faktisk partikler i luften, hvilket også udgør en trussel mod vores helbred.

Og vi skal også nævne Samsungs Galaxy Note 4, som i slutningen af ​​2014 blev den første almindelige smartphone, der leveres med en UV-lyssensor.

Billedkredit: Caltech

En overraskende mængde futuristiske ting er allerede med os - hvad enten det er i laboratoriet eller i de enheder, vi bruger.

Tilbage i 2011 blev der udgivet et papir på en lille objektivfri platform til analyse af mikroorganismer. Det blev kaldt ePetri-skålen og var designet til at arbejde på en siliciumchip⁵. (Den er opkaldt efter petriskålen, den konventionelle metode til dyrkning af mikrober, så de kan analyseres.) EPetri-skålen kræver ikke det store udstyr og arbejdskrævende processer, placeres kulturen simpelthen på en billedchip, der belyses af smartphone-skærmen, og enheden placeres i en inkubator. Du kan få adgang til dataene via en bærbar computer eller en anden smartphone, så brugeren kan zoome ind og analysere individuelle mikrobielle celler. Teknologien er meget specialiseret og stadig langt fra Nokia Morph-koncepterne, men det er bestemt et skridt nærmere.

I øjeblikket har vi udviklet meget af den teknologi, som Nokia og University of Cambridge forudsagde at skulle være tilgængelige inden 2015. Konceptet er stadig meget futuristisk, men det fungerer som en god inspirationskilde for dem, der udvikler smartphone-teknologierne for fremtiden.

Hvem ved, om yderligere syv år vil vi måske se en enhed, der ligner Nokia Morph, måske med teknologier, som vi endnu ikke har forestillet os.

Tak Eric fra Evolutive Labs for at lære mig om hærdet glas!

Det er tid til at klippe ledningen!

Dette er de bedste trådløse øretelefoner, du kan købe til enhver pris!

De bedste trådløse øretelefoner er komfortable, lyder godt, koster ikke for meget og passer let i lommen.

Næste generation

Alt hvad du behøver at vide om PS5: Udgivelsesdato, pris og mere.

Sony har officielt bekræftet, at de arbejder på PlayStation 5. Her er alt, hvad vi ved om det hidtil.

Nye Nokias

Nokia lancerer to nye budget Android One-telefoner under $ 200.

Nokia 2.4 og Nokia 3.4 er de seneste tilføjelser til HMD Globals budget-smartphone-sortiment. Da de begge er Android One-enheder, modtager de garanteret to store OS-opdateringer og regelmæssige sikkerhedsopdateringer i op til tre år.

Ding Dong - døre låst

Beskyt dit hjem med disse SmartThings dørklokker og låse.

En af de bedste ting ved SmartThings er, at du kan bruge en række andre tredjepartsenheder på dit system, dørklokker og låse inkluderet. Da de alle i det væsentlige deler den samme SmartThings-support, har vi fokuseret på, hvilke enheder der har de bedste specifikationer og tricks til at retfærdiggøre at tilføje dem til dit SmartThings-arsenal.