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2010年2月16日 (火)

おまけのお話し6:水晶

さて。サンダーエッグは先生にお渡しして回覧していただきましたが
一方、私の方は、そのようにして成長した水晶の方を持って生徒の間を回って、回覧して見せました。
0203quartz1
これ小さい方。渋谷の東急ハンズで買ったもの。

0203quartz2
こっち、大きい方。70gくらいあります。昔、蒲田駅の通路に山梨の石屋さんが出店を出すことがあって、そこで買いました。
きれいでしょ。
生徒も大喜び。
触りたがったり、値段を聞いたり。
(私がこっちを持って回覧したのは、そういう騒ぎを予想してのことです。いろいろ触らせたりなんだり、落っことす可能性も高いのです。落として割った場合、サンダーエッグより水晶の方が申し訳ない気分になるでしょ。だから、もし落として割っても、私自身がやったことなら誰にも心理的負担が来ないですね。そんなことです)

これが、地中で、強烈な高温の「水晶の溶液」から成長したものだ、というのはふつうあまり考えませんね。

ところが、この地中で行われた、水晶の成長を現在は工業的に行っているのです。

現在、水晶は日常の生活に欠かせないものとなっています。装飾品とかではありません。
クォーツ時計、携帯電話、パソコン、コンピュータ内蔵の機器類すべて・・・です。

時計では、1秒を刻むために水晶発振子が必要です。これはそのまま時計の中心ですね。
パソコンでいうと、「クロック周波数」という言葉を聞いたことはありませんか?
私が今このブログを書いているパソコンは「1.73GHz」で動作しています。
これも、水晶発振子の振動を利用して「1秒間に17億3千万回」もの電気的な振動をつくっているのです。
なんで?
情報をやり取りするのに、勝手放題に送ったり受けたりしたのでは大混乱ですね。基本的なリズムに乗って、情報を送る・情報を受け取る、というタイミングをきちっと守っているのです。
その基本リズムをつくるのに、水晶発振子が必要なのです。
詳しい説明はここでは省きます。水晶を使うとものすごい周波数の規則正しい振動が得られるのだということだけ了解してください。

さて、天然の水晶では不純物が混じったりして、工業的に安定なものができにくいのです。
そこで、「水熱合成法」という方法で人工の水晶をつくっています。

日本水晶デバイス工業会のホームページから引用します。
http://www.qiaj.jp/pages/frame20/page01.html

人工水晶の育成方法
 オートクレーブと呼ばれる高温高圧容器を用い、水熱合成法により製造されます。その原理は、地殻内部で天然水晶が成長する過程に似た環境を人工的に再現するもので、非常に短期間に、しかも高歩留で水晶結晶を得ることが出来ます。
 オートクレーブは対流制御板により上下2室に分けられます。上部は結晶成長域で種子結晶が取り付けられ、下部は溶解域で、原料である天然水晶(ラスカ)がセットされます。その後、オートクレーブ内自由空間の約80%に希アルカリ溶液(水酸化ナトリウムまたは炭酸ナトリウム)を注入し、蓋をしてヒーターにより加熱します。オートクレーブ上部温度を約300℃、下部温度を約400℃に加熱すると溶液の膨張圧縮作用により、圧力は140MPa程度まで上昇します。
 このような高温高圧環境下において、下部の原料はアルカリ溶液に溶解を始めSiO2の飽和溶液となります。この飽和溶液は熱対流により上昇しオートクレーブの温度差により上部成長域で過飽和状態となり種子結晶上に析出・成長を始めます。
 その後、溶液はオートクレーブ下部に下降して加熱され、再び原料を溶解して対流により上昇します。このような過程を繰り返すことで人工水晶が連続的に成長します。

「短期間」といっていますが、天然に比べればの話で、おそらく、1カ月とか2カ月とかいう時間のスケールで結晶を育てているのだと思います。

すごいでしょ。この話の「さわり」だけ生徒にはお話ししました。
目の前にある水晶は、地下の高温高圧のもとで、成長したもの。
パソコンや携帯の中の水晶は、それを人の手で真似て育てたもの。
想像力を刺激しますよね。
理科の基本は好奇心。想像力。
楽しんでもらえればいいんです。詳しいことを知りたくなったら、いくらでも深く学ぶことはできるんですから。

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