すいしょうは、地球の 地面の 下に ある 石の 中で、長石(ちょうせき)に つづいて 2ばんめに 多いと いわれる、ごく ふつうの 石だ［1］。もとに なって いる ぶっしつは「にさんかケイそ」と いう、シンプルな ものだ［1］。

それなのに、この 石は いま、うで時計の 中にも、スマートフォンの 中にも、せいみつな ぶひんとして 入って いる。ありふれた 石が、なぜ そんな とくべつな しごとを まかされるように なったのか。その りゆうは、すいしょうが もつ、ある ふしぎな せいしつに ある。

水晶は、地球の地面の下にある石の中で、長石(ちょうせき)に次いで2番目に多いといわれる、ごくふつうの石だ［1］。もとになっている物質は「二酸化ケイ素」という、シンプルなものだ［1］。

それなのに、この石はいま、腕時計の中にも、スマートフォンの中にも、精密な部品として入っている。ありふれた石が、なぜそんな特別な仕事を任されるようになったのか。その理由は、水晶が持つ、ある不思議な性質にある。

水晶は、地球の地殻にある鉱物の中で、長石に次いで2番目に多いといわれる、ごくありふれた石である［1］。化学的には二酸化ケイ素(SiO2)という、ごくシンプルな物質でできている［1］。

それなのに、この石は今、腕時計の中にも、スマートフォンの中にも、精密な部品として組み込まれている。ありふれた石が、なぜそんな特別な仕事を任されるようになったのか。その理由は、水晶が持つ、ある不思議な性質にある。

1880年、フランスの ジャック・キュリーと ピエール・キュリーの きょうだいが、すいしょうに ある ふしぎな せいしつを 見つけた［1］。「あつでんこうか」と よばれる この せいしつは、けっしょうに 力を くわえると わずかな でんきが 生まれ、ぎゃくに でんきを かけると けっしょうが わずかに かたちを かえる、と いう ものだ［1］［2］。

すいしょうに でんきを かけると、きまった はやさで きそく正しく ふるえる。この きそく正しい ふるえを かぞえる ことで、時計は 正かくに 時こくを きざめる。だが、この せいしつが 見つかってから、じっさいに でんしの きかいの 大事な ぶひんとして 広く つかわれるように なるまでには、まだ 大きな かべが のこって いた。

1880年、フランスのジャック・キュリーとピエール・キュリーの兄弟が、水晶にある不思議な性質を見つけた［1］。「圧電効果」と呼ばれるこの性質は、結晶に力を加えるとわずかな電気が生まれ、逆に電気をかけると結晶がわずかに形を変える、というものだ［1］［2］。

水晶に電気をかけると、決まった速さで規則正しくふるえる。この規則正しいふるえを数えることで、時計は正確に時刻を刻める。だが、この性質が見つかってから、実際に電子機器の大事な部品として広く使われるようになるまでには、まだ大きな壁が残っていた。

1880年、フランスの物理学者ジャック・キュリーとピエール・キュリーの兄弟が、水晶にある不思議な性質を発見した［1］。「圧電効果」と呼ばれるこの性質は、結晶に力を加えるとわずかな電圧が生まれ、逆に電圧をかけると結晶がわずかに変形する、というものだ［1］［2］。

水晶に電気をかけると、決まった速さで規則正しくふるえる。この規則正しいふるえを数えることで、時計は正確に時を刻める。だが、キュリー兄弟がこの性質を発見してから、実際に電子機器の心臓部として広く使われるようになるまでには、まだ大きな壁が残っていた。

でんしの きかいに つかう すいしょうには、とても 高い じゅんどと、けっしょうの むきが そろって いる ことが もとめられる。ところが てんねんの すいしょうには、けっしょうが きれいに そろって いない ものや、まじりものが 入って いる ことが 多く、せいみつな ぶひんに そのまま つかえる ものは かぎられて いた。

さらに 1900年代の 前はんには、でんしの きかいむけの 高い ひんしつを もつ てんねんの すいしょうが とれる ばしょは、じじつ上 ブラジルに ほぼ かぎられて いた。せかいじゅうの でんしの きかいが、とくてい 一つの 国から ほり出される てんねんの 石に たよって いた ことに なる。この かたよりが、やがて 大きな もんだいを 引きおこす ことに なる。

電子機器に使う水晶には、とても高い純度と、結晶の向きがそろっていることが求められる。ところが天然の水晶には、結晶がきれいにそろっていないものや、混じりものが入っていることが多く、精密な部品にそのまま使えるものは限られていた。

さらに1900年代の前半には、電子機器向けの高い品質を持つ天然の水晶がとれる場所は、事実上ブラジルにほぼ限られていた。世界中の電子機器が、特定の一つの国から掘り出される天然の石に頼っていたことになる。この偏りが、やがて大きな問題を引き起こすことになる。

電子機器に使う水晶には、きわめて高い純度と、結晶の向きがそろっていることが求められる。ところが天然の水晶には、双晶(結晶が対称にくっついて生えたもの)や不純物が混じっていることが多く、精密な部品にそのまま使えるものは限られていた。

さらに20世紀前半、電子グレードの高品質な天然水晶の産地は、事実上ブラジルにほぼ限られていた。世界中の電子機器が、特定の一国から掘り出される天然の石に頼っていたことになる。この偏りが、やがて大きな問題を引き起こすことになる。

第二次 せかい大せんの あいだ、むせん つうしんなどに つかう でんしの きかいむけの すいしょうは、それぞれの 国に とって、せんそうに 大事な ぶっしに してい されるほど、じゅうような ものに なって いた［3］。アメリカ、ドイツ、日本の 研究者たちは、てんねんの すいしょうに たよらずに すむよう、すいしょうを 人の 力で つくり出す ほうほうの かいはつを きそいあった［3］。しかし、せんそうの さいちゅうに この きょうそうに かった 国は なかった［3］。

じつは 人工 すいしょうを そだてる ぎじゅつ そのものは、1845年に ドイツの 学者が、けんびきょうで 見えるほど 小さな けっしょうを つくる ことに はじめて せいこうして おり［1］、1898年から1908年に かけては、イタリアの 学者が、より じつように 近い ほうほうを こうひょうして いた［4］。だが、それを こうぎょうの きぼで つくれるように するには、まだ 時間が ひつようだった。

せんそうが おわった あと、アメリカの ベルでんわ 研究所が 研究を 本かくさせ、1946年から 人工 すいしょうを そだてる とりくみを はじめた［1］。1950年、研究者たちが、しょうぎょうの きぼで 水を つかって すいしょうを そだてる やりかたを かいはつし、1956年までには、この ほうほうが かんせいした［1］。こうして、せんそう中には だれも とけなかった かだいが、へいわな 時代に なって、ようやく かいけつされたのである。

第二次世界大戦のあいだ、無線通信などに使う電子機器向けの水晶は、それぞれの国にとって、戦争に大事な物資として指定されるほど、重要なものになっていた［3］。アメリカ、ドイツ、日本の研究者たちは、天然の水晶に頼らずにすむよう、水晶を人の力で作り出す方法の開発を競い合った［3］。しかし、戦争の最中にこの競争に勝った国はなかった［3］。

実は人工水晶を育てる技術そのものは、1845年にドイツの学者が、顕微鏡で見えるほど小さな結晶を作ることにはじめて成功しており［1］、1898年から1908年にかけては、イタリアの学者が、より実用に近い方法を発表していた［4］。だが、それを工業の規模で作れるようにするには、まだ時間が必要だった。

戦争が終わったあと、アメリカのベル電話研究所が研究を本格化させ、1946年から人工水晶を育てる取り組みを始めた［1］。1950年、研究者たちが、商業の規模で水を使って水晶を育てるやり方を開発し、1956年までには、この方法が完成の域に達した［1］。こうして、戦争中には誰も解けなかった課題が、平和な時代になって、ようやく解決されたのである。

第二次世界大戦のあいだ、無線通信などに使う電子グレードの水晶は、各国にとって戦略物資に指定されるほど重要なものになっていた［3］。アメリカ、ドイツ、日本の科学者たちは、天然水晶に頼らずにすむよう、水晶を人工的に作り出す方法の開発を競い合った［3］。しかし、戦時中にこの競争に勝った国はなかった［3］。

実は人工水晶を育てる技術そのものは、1845年にドイツの地質学者カール・エミール・フォン・シャフホイトルが、顕微鏡で見えるほど小さな結晶を作ることに初めて成功しており［1］、1898年から1908年にかけては、イタリアの鉱物学者ジョルジョ・スペツィアが、種結晶に天然水晶を用いて実験を重ね、より実用に近い水熱合成の方法を発表していた［4］。だが、それを工業的な規模にまで発展させるには、まだ時間が必要だった。

戦争が終わったあと、アメリカのベル電話研究所が研究を本格化させ、1946年から人工水晶の育成に取り組み始めた［1］。1950年、研究者A・C・ウォーカーとアーニー・ビューラーが、商業規模での水熱合成のプロセスを開発し、1956年までにはこの方法が完成の域に達した［1］。こうして、戦争中には誰も解けなかった課題が、平時になってようやく解決されたのである。

人工 すいしょうを つくる ほうほうは「水ねつごうせいほう」と よばれる。まず、てんねんの 高ひんしつな すいしょうを こなに して、とくべつな 水よう えきと まぜて、じょうぶな はがねで できた「オートクレーブ」と いう 入れものに 入れる［3］。

この 入れものを 下の ほうから せっし400どほどまで あたため、中の あつりょくを、ふつうの くうきの あつりょくの さいだいで およそ2000ばいほどまで 高める［3］。すると、入れものの 下の ほうで すいしょうの こなが 水よう えきに とけ出し、その 水よう えきが じょうしょうして 上の ほうへ はこばれて いく。入れものの 上の ほうには「たねけっしょう」と よばれる うすい すいしょうの いたが おかれて おり、そこに とけ出した せいぶんが すこしずつ けっしょうと して つみ重なって いく［3］。

この さぎょうには、およそ80日と いう 長い 時間が かかる［3］。1日に わずか 1ミリにも みたない はやさで、すいしょうは じわじわと そだって いくのだ。こうして そだった 人工 すいしょうの けっしょうは、うすい 板に 切り出され、うで時計や スマートフォン、パソコンなど、あらゆる でんしの きかいの 中に くみこまれて いく。きょう、でんし ぶひんとして つかわれて いる すいしょうの ほとんどは、この ほうほうで 人の 手に よって「そだてられた」ものである［3］。

人工水晶を作る方法は「水熱合成法」と呼ばれる。まず、天然の高品質な水晶を粉末にし、特別な水溶液と混ぜて、頑丈な鋼鉄でできた「オートクレーブ」という入れものに入れる［3］。

この入れものを下のほうからセ氏400度ほどまで温め、中の圧力を、ふつうの空気の圧力の最大でおよそ2000倍ほどまで高める［3］。すると、入れものの下のほうで水晶の粉末が水溶液に溶け出し、その水溶液が上昇して上のほうへ運ばれていく。入れものの上のほうには「種結晶」と呼ばれる薄い水晶の板が置かれており、そこに溶け出した成分が少しずつ結晶として積み重なっていく［3］。

この作業には、およそ80日という長い時間がかかる［3］。1日にわずか1ミリにも満たない速さで、水晶はじわじわと育っていくのだ。こうして育った人工水晶の結晶は、薄い板に切り出され、腕時計やスマートフォン、パソコンなど、あらゆる電子機器の中に組み込まれていく。今日、電子部品として使われている水晶のほとんどは、この方法で人の手によって「育てられた」ものである［3］。

人工水晶を作る方法は「水熱合成法」と呼ばれる。まず、天然の高品質な水晶を粉末にし、炭酸ナトリウムの水溶液と混ぜて、頑丈な鋼鉄製の「オートクレーブ」という容器に入れる［3］。

この容器を底のほうから摂氏400度ほどまで加熱し、内部の圧力を1平方インチあたり最大3万ポンド、大気圧のおよそ2000倍ほどにまで高める［3］。すると、容器の下のほうで水晶の粉末が溶液に溶け出し、その溶液が対流によって上のほうへ運ばれていく。容器の上部には「種結晶」と呼ばれる薄い水晶の板が置かれており、そこに溶け出した成分が少しずつ結晶として積み重なっていく［3］。

この作業には、およそ80日という長い時間がかかる［3］。1日にわずか1ミリにも満たない速さで、水晶はじわじわと育っていくのだ。こうして育った人工水晶の結晶は、薄いウェハーに切り出され、腕時計やスマートフォン、パソコンなど、あらゆる電子機器の中に組み込まれていく。今日、電子部品として使われる水晶のほとんどは、この方法で人の手によって「育てられた」ものである［3］。

家に ある 時計や スマートフォンの 中には、まず まちがいなく、水を つかって そだてられた 小さな すいしょうの けっしょうが 入って いる。分かいするのは むずかしいが、時計の うらぶたに「クオーツ」や「Quartz」と 書いて ないか、さがして みると よい。

きかいが あれば、こう物を あつかう はく物かんや お店で、てんねんの すいしょうの けっしょうを じっさいに 見て みて ほしい。とうめいな ろっかくちゅうの かたちを した てんねんの けっしょうと、でんしの きかいの 中で はたらいて いる 目に 見えないほど 小さな けっしょうが、おなじ「すいしょう」と いう 一つの ぶっしつで ある ことを、そうぞうして みよう。

家にある時計やスマートフォンの中には、まず間違いなく、水熱合成法で育てられた小さな水晶の結晶が入っている。分解するのは難しいが、時計の裏ぶたに「クオーツ」や「Quartz」と書いていないか、探してみるとよい。

機会があれば、鉱物を扱う博物館やお店で、天然の水晶の結晶を実際に見てみてほしい。透明な六角柱の形をした天然の結晶と、電子機器の中で働いている目に見えないほど小さな結晶が、同じ「水晶」という一つの物質であることを、想像してみよう。

家にある時計やスマートフォンの内部には、まず間違いなく、水熱合成法で育てられた小さな水晶の結晶が入っている。分解するのは難しいが、時計の裏ぶたに「クオーツ」や「Quartz」と刻印されていないか、探してみるとよい。

機会があれば、鉱物を扱う博物館やお店で、天然の水晶の結晶を実際に見てみてほしい。透明な六角柱の形をした天然の結晶と、電子機器の中で働いている目に見えないほど小さな結晶が、同じ「水晶」という一つの物質であることを、想像してみよう。