私が洗練されていないと文句を言うのはやめてください、それは私がとても魅力的だからです

地殻における豊富さが酸素に次いで2番目に多い化学元素であるケイ素は、すべての主要な文明における「地球」の要素の本質です。シリコンは人類社会の建築的基礎を形成し、情報化時代の物質的な礎を築きます。機能性メソポーラス材料を製造する技術が継続的に進歩するにつれ、シリコン材料の応用は将来世界に無限の可能性をもたらすでしょう。

01普通の主役元素——シリコン

ケイ素（化学記号 Si）は、周期表の 14 番目の元素です。目立たないけれど、どこにでもいる「縁の下の力持ち」です。宇宙から地球まで、砂からハイテクチップまで、私たちの日常生活や科学的探究におけるシリコンの重要性はかけがえのないものです。

シリコン元素とその構造

シリコンは宇宙に存在する元素の中で8番目に多いが、宇宙の総質量のわずか0.07%を占める、比較的ありふれた元素である。太陽系では、シリコンは地球や火星などの地球型惑星の岩石圏を構成する重要な要素の 1 つです。科学者たちはまた、隕石のサンプル中にケイ素が広範囲に存在することを発見しており、これは太陽系の形成初期から地球の化学的進化にケイ素が関与してきたことを示している。

宇宙の元素の豊富さの表、シリコンは8位

地殻では、ケイ素は酸素に次いで2番目に豊富な元素となり、地殻の質量の27.7%を占め、「脇役」から真の「主役」の1つへと躍進しました。

地殻中の元素の存在表

ほとんどのケイ素はケイ酸塩や二酸化ケイ素の形で存在します。ケイ素は酸素と結合して多種多様なミネラルを形成します。石英、長石、雲母、これらの身近な鉱物はすべてシリコンの傑作です。地球上の砂漠や海岸は、自然界におけるシリカの「展示場」です。ケイ素で構成されたこれらの砂粒は、風化や輸送などの地質学的プロセスを通じて地球の地形を形成する上で重要なツールとなっています。

自然界によく見られるシリコン

シリコンの化学的性質は古代には知られていませんでしたが、それは人類の文明の進歩と切り離せないものです。石器時代には、シリカ（主にSiO₂で構成）が石器を作るための主な材料として使われていました。シリカは硬くて鋭いので、ナイフや斧などの道具を作るのに最適です。粘土と石灰岩（ケイ酸塩を含む）は初期の建築資材として使用され、人間の居住地の基礎を築きました。シリコンは「土」の重要な構成要素として、古代文明の興隆を支えただけでなく、人類による天然素材の探究への道を開きました。

先史時代の人類が残した石のナイフ、石斧などの道具 古代ギリシャ哲学では、土は物質世界を構成する 4 つの要素 (火、空気、水、土) の 1 つであると考えられていました。古代中国の「五行説」では、土は世界を構成する5つの基本要素の1つであると考えられています。土は万物の母であり、自然の循環を支えています。実際、古代人が理解していた「土壌」は、主にケイ酸塩と二酸化ケイ素を主成分とする岩石や鉱物を指していました。

古代中国の五行説の図解

古代の人々はシリコンの化学的性質を理解していませんでしたが、単純な労働慣行を通じてシリコン化合物の基本的な特性を偶然に探求し、初期の陶器、レンガ、タイルなど、人類文明の象徴的な発明を生み出しました。

02文明の体現 - 陶芸

セラミックは人類が開発した最も古い人工合成材料の一つです。その核心は「土」と「火」の巧妙な組み合わせにあります。珪酸塩鉱物を主原料とし、高温焼成により鉱物中のケイ素と酸素の化合物を化学反応させ、硬くて美しい陶磁器製品を作ります。

中国の仰韶文化と龍山文化では、新石器時代にはすでに陶器が登場しており、人類によるシリコン系材料の探究の道が開かれました。

仰韶文化の幾何学模様の彩色陶器盆 出典：故宮博物院

中国の陶磁器の技術は唐代と宋代に頂点に達し、特に磁器の出現により中国は世界の陶磁器文化の中心地となりました。 「中国」という言葉のもう一つの意味である磁器は、中国の陶磁器の優れた品質と技術革新に由来しています。青白磁の優雅さ、汝窯の繊細さ、景徳鎮の窯火の輝きなど、磁器は中国文化の重要な象徴となっています。

上海科学技術館「青白磁」特別展 出典：iDaily Media

03世界を見るレンズ——ガラス

陶磁器が中国文明の具体的な体現であるならば、ガラスは西洋の科学的啓蒙の背後にある目に見えない原動力です。ガラスを通して、人間は微細な細胞の世界を見ることができるだけでなく、宇宙の広大な銀河を観察することもできます。この透明なシリコンベースの素材は、人間の世界の認識方法を変えました。

ガラスの発明は中東で紀元前2000年にまで遡ります。古代の職人は、高温焼成の過程で、砂（主成分はSiO₂）をアルカリ性物質（植物灰など）と混ぜると透明な固体物質が形成されることを発見しました。この偶然の発見により、ガラスは人類の初期の重要な発明となりました。

香水瓶 東地中海地方 紀元前500年頃 出典: 湖南省博物館

紀元前1世紀、中東の人々がガラス吹き技術を発明し、ガラスの形や用途がより多様化しました。窓からワイングラス、ランプシェードから宝石に至るまで、ガラスは徐々に人間の生活のあらゆる側面に組み込まれてきました。

吹きガラスの技術は古代ローマ時代から使われてきました。

画像出典: Quanzhizhi ガラスは中東やヨーロッパでは比較的早くから普及しましたが、中国でのその用途は比較的限られています。ガラスが希少な贅沢品としてシルクロードを経由して中国に導入されたのは漢王朝になってからでした。中国の職人が陶器を焼くときに誤ってアルカリ性物質を加えてしまったら、高温で誤ってガラスが作られてしまう可能性があると想像してみてください。この化学反応の核心は、アルカリ酸化物がシリコン酸化物の融点を下げ、より低い温度で透明な非晶質構造を形成できるようにすることです。

ガラスは透明性と加工性に優れているため、現代の科学革命においてかけがえのない役割を果たしてきました。 16 世紀、ガリレオはガラスレンズを使って望遠鏡を作り、人類に初めて宇宙の詳細を示しました。

望遠鏡を見せるガリレオ

画像出典: ロンドン科学博物館。同じ時期に、顕微鏡の発明により、人類は細胞から微生物に至るまでの微視的な世界を探索できるようになり、ガラスは科学の啓蒙のための重要な道具となりました。

顕微鏡画像出典: ロンドン科学博物館

グラスファイバーの発明は通信に革命をもたらしました。シリカを主成分とする光ファイバーは、極めて低い損失で光信号を伝送することができ、現代の情報ネットワークの中枢神経となっています。 2009年10月6日、上海金山生まれの中国科学者チャールズ・カオ氏が、「光通信分野における光ファイバーによる光伝送の画期的な成果」によりノーベル物理学賞を受賞した。彼は「光ファイバー通信の父」として称賛され、彼の遺産は時代を超えて受け継がれていきます。

花王、ノーベル賞の金メダルと賞状を展示

04砂の小片から塔が生まれる：ケイ素と酸素の元素でできた物質世界

シリコンは外殻に4つの電子を持ち、酸素原子と電子を共有することで安定した共有結合を形成できます。シリコンと酸素によって形成される酸化物、特にシリコン-酸素四面体 (SiO₄) 構造は、酸素原子を共有することで非常に安定した結晶構造を形成できます。

四酸化ケイ素の構造

これらの構造は強度と耐熱性の両方を備えており、地球の高温高圧環境でも長期間にわたって生き残ることができます。例えば、シリカ（SiO₂）やさまざまなケイ酸塩鉱物（長石や雲母など）は、地球の地殻の主成分を構成するケイ素酸化物の代表的なものです。ケイ素-酸素四面体は安定しているだけでなく、非常に柔軟でもあります。酸素原子を共有することで鎖状、層状、三次元ネットワーク構造を形成し、多種多様な物質を作り出し、豊かな物質世界を形成します。

ケイ素-酸素四面体に基づくケイ酸塩結晶構造：（a）鎖構造、（b）平面層構造、および平面外への拡張により3次元構造を形成できる

画像出典: 趙東源

たとえば、シリカ四面体は酸素原子を共有することで三次元ネットワーク構造を形成し、砂、石英、岩石に広く見られる硬いシリカを形成します。シリカ四面体によって形成される細孔構造によりシリカゲルは優れた吸着能力を持ち、乾燥剤や触媒としてよく使用されます。シリカ四面体と酸化アルミニウム四面体が絡み合って規則的な細孔構造を形成すると、そのような細孔はふるいのように小さな分子だけが入ることを許可するため、分子ふるいと呼ばれます。ゼオライト分子ふるいは、イオン交換、吸着、触媒特性に優れているため、石油化学産業では欠かせない触媒となっています。

石油化学産業における分子ふるい触媒の重要な役割

05メソポア—単に大きいだけではない

化石エネルギーは再生不可能な一次エネルギー源です。私たちはグリーンでクリーンなエネルギーの開発を続けていますが、世界は依然として一次エネルギーに依存しており、今後も長い間依存し続けるでしょう。同時に、化学産業は世界にエネルギーを供給するだけでなく、私たちの食料、衣服、住居、交通にも深く関係しています。

ゼオライト分子ふるいは自然界に存在するアルミノケイ酸塩結晶鉱物の一種ですが、その産業応用の大きな可能性により、常に材料科学研究の最先端分野となっています。 1950 年代に研究者たちは、主にシリコンとアルミニウムの比率と細孔構造を調整して触媒性能を向上させることにより、ゼオライトの人工合成に取り組み始めました。

20世紀後半のゼオライト分子ふるい工業用触媒開発のマイルストーン 出典：趙東源

いくつかの従来の分子ふるいの細孔はすべて微細孔（<1nm）であり、重質油残留物の分解と高分子のファインケミカルの触媒作用が制限されます。実際、ゼオライト分子ふるいは脱アルミニウム化の過程でメソ細孔（2～50 nm）を生成できるものの、その細孔サイズは不均一で、配列も乱れていることが何年も前に発見されています。過去30年間で、数十種類のメソポーラスシリカ分子ふるいが合成され、復旦大学の趙東源院士のチームが開発したFDUシリーズはこの分野のリーダーです。

メソポーラスシリカ: (a) 粉末サンプル、(b) 微細構造透過型電子顕微鏡 (TEM) 画像、(c) 触媒メカニズムの概略図。画像出典: 趙東源

FDU の最大の利点の 1 つは、メソポーラス材料の構成をシリコン酸化物から有機ポリマー、メソポーラスカーボン、金属酸化物などに拡張できることです。これは、機能性メソポーラス材料の方向性合成を実現し、メソポーラス材料の応用分野を豊かにする体系的な合成方法論です。

機能性メソポーラス材料の優れた特性とその応用分野

画像出典: 趙東源

06シリコンの発見：ラボアジエからベルセリウスまで

シリコンは自然界に広く存在しますが、化合物の層の下に隠れているため、人間が特定して抽出することは困難です。その発見の過程は、数百年にわたる科学的探究の歴史であり、人類が化学元素を徐々に理解し、自然の謎を解明してきた縮図でもあります。

18 世紀末、「近代化学の父」アントワーヌ・ラボアジエは、物質の基本的な構成に関する体系的な研究を行いました。

アントワーヌ・ローラン・ド・ラヴォアジエ、1743～1794年、フランス。 1789年に出版された著書『化学の基本法』の中で、彼は初めて「元素」という概念を提唱し、当時知られていた元素の表を掲載した。この表から、ラヴォアジエは石英 (SiO₂) に未知の基本元素が含まれている可能性があると推測しましたが、この元素を抽出することには成功しませんでした。彼はこの仮説上の元素を「石英中の物質」を意味する「シリカ」と名付けました。これは、ケイ素が科学の視野に入った初めての出来事でした。

ラヴォアジエの元素表（末尾にシリカあり）

この天才化学者は実験を非常に尊敬していました。彼はかつてこう言った。「実験と観察という自然な道を通じて真実を追求する以外に方法はない。」 1775年頃、ラヴォアジエは定量化学実験を用いて「フロギストン」理論を覆し、燃焼の酸化理論を解説し、質量保存の法則をまとめ、定量化学の時代を切り開きました。

ラヴォアジエは実験を行っており、妻はそれを記録するのを手伝っていました。

19 世紀、イギリスの化学者ハンフリー・デービーは、石英の主要成分を抽出するために電気分解を試みました。彼は石英の元素が金属である可能性があると考え、その元素を「ケイ素」と名付け、金属族に分類しました。しかし、デイビッドの実験コンセプトは正しかったものの、彼の技術と設備ではシリコンの抽出に成功するのに十分ではありませんでした。

ハンフリー・デービー（1778–1829）

実質的な進歩はなかったものの、デイビッド氏はシリコンの命名の基礎を築きました。その後、この名前は「シリコン」にさらに変更され、現在でも使用されています。 1811 年、フランスの化学者ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサックは実験で初めて四フッ化ケイ素 (SiF₄) を合成しました。これは人類が初めてケイ素化合物を調製した例である。彼はさらに金属カリウムで四フッ化ケイ素を還元しようとしましたが、技術的な制限により、極めて不純度の高いアモルファスシリコンしか得られませんでした。シリコン不純物の含有量が高すぎたため、さらに分析して別の元素として確認することができませんでした。

ジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサック (1778–1850)

実際に自然界からケイ素を分離したのは、スウェーデンの化学者イェンス・ヤコブ・ベルセリウスでした。彼は 19 世紀の化学の分野で著名な人物であり、「分析化学の父」として知られています。 1823年、ベルセリウスは還元技術を改良してシリコンの抽出に成功しました。

ヨンス・ヤコブ・ベルゼリウス (1779–1848)

実験で、ベルセリウスは、加熱条件下では金属カリウムが四フッ化ケイ素中のフッ素元素を捕捉し、それによって元素状ケイ素を放出できることを発見しました。このプロセスにより、まだ不純物が含まれているものの、本質的には新しい元素であることが確認された非晶質のシリコンが生成されました。ベルセリウスは実験方法を改良し続け、何度も精製と浄化を繰り返して、最終的により純度の高いシリコンを生産しました。このタイプのシリコンは、灰黒色の不透明な結晶構造を持ち、硬度が高く、金属光沢があります。彼の研究は、シリコンを独立した元素としての地位を確立しただけでなく、シリコンの化学研究の基礎を築きました。

灰黒色の不透明な結晶シリコン

07高純度シリコン——情報化時代の礎

結晶シリコンは、硬度、融点が高く、独特の四面体構造をしています。シリコンの価電子はすべてσ結合の形成に関与しているため、室温では電気を伝導しません。この特性は、シリコンを半導体材料として応用するための理論的基礎を築きます。化学技術の継続的な進歩により、科学者は徐々により効率的な精製技術を習得し、シリコンの純度がさらに向上し、構造が徐々に規則的になり、高純度シリコンの製造が徐々に可能になりました。まず、珪砂を化学的に精製し、精錬して不純物を除去し、ポリシリコンを得ます。次に、「引き上げ法」または「ゾーン溶融法」により、ポリシリコンはさらに精製され、単結晶シリコン棒に引き上げられます。これらの単結晶シリコンの純度は通常 99.9999% 以上に達し、半導体業界の厳しい材料要件を満たすのに十分です。

チョクラルスキー引き上げプロセスと単結晶シリコン棒およびウェハーの概略図。その後、単結晶シリコンは厚さ1mm未満のウェハに切断されます。これらのウェハーはチップ製造の基礎となります。工場に入った後、リソグラフィー、ドーピング、エッチング、コーティング、テスト、パッケージングなどの一連のプロセスステップを経て強力な計算能力が与えられ、数十億個のトランジスタを搭載した集積回路（チップ）に変換されます。

現代のシリコンベースの集積回路の概念図

今日では、わずか数平方ミリメートルのチップに、ナノメートルの精度で設計された 100 億個以上のトランジスタを組み込むことができます。小さなチップは、パソコンからスマートフォン、人工知能からクラウドコンピューティングまで、あらゆる最先端テクノロジーを動かしています。 「シリコンバレー」という名前は、シリコンの技術的地位を世界の技術地図に直接刻み込んでいます。

08無限の可能性へ導く

エネルギー危機に対処するために、全世界がクリーンかつ効率的なグリーンエネルギーを模索しています。グリーンで低炭素なエネルギーへの世界的な変革の過程において、太陽エネルギーは間違いなく最も理想的な再生可能エネルギー源の 1 つです。シリコン太陽電池は光電効果によって太陽光を直接電気エネルギーに変換し、その中心となるのは半導体シリコン結晶です。

太陽電池における半導体シリコンの応用 シリコンはエネルギー分野で二重の役割を果たしていることは特筆に値します。一方では、分子ふるい触媒として化石エネルギーの利用効率を継続的に最適化します。一方で、太陽光発電やエネルギー貯蔵技術を通じてグリーンエネルギー革命を推進しています。この「二重のアイデンティティ」により、シリコンは従来のエネルギーと将来のエネルギーをつなぐものとなります。シリコンはエネルギー分野に加えて、特に骨と皮膚の健康をサポートする点で生命科学とも密接に関係しています。ケイ素はコラーゲンの合成に関与していますが、分解されやすいです。そのため、シリコン成分が劣化すると、肌にシワができ、老化が進んでしまいます。

シリコンの劣化は肌の老化を引き起こす

さらに、有機ケイ素化合物は、炭素元素とケイ素元素の強力な組み合わせを実現し、大規模な化学産業を形成しています。これらの材料の特性は、カーボンプラスチックやポリエチレンの特性とは異なります。耐熱性、耐寒性に優れ、機械的性質、電気絶縁性も非常に安定しています。特に、通気性と生理的不活性性に優れているため、医療用材料として最適です。シリコンはすでに物質世界のいたるところに存在していますが、人類と世界に利益をもたらす何千もの用途にまだ開発できると言えます。技術の継続的な進歩により、おそらく近い将来、柔らかい半導体、フレキシブルガラス、液体シリコン、ナノセラミックス、シリコンベースのバッテリー、シリコンベースの大孔キラル分子ふるいなど、まだ科学的に想像されている材料が現実のものとなり、来たる科学技術革命をリードすることになるだろう。さらに、現在炭素ベースの生命が支配する世界は、シリコンベースの複合生命の出現を歓迎するでしょうか?

シリコン応用の無限の可能性

驚かないでください、ひるまないでください。化学の世界は驚きに満ちています。ノーベル化学賞受賞者のロアルド・ホフマンはかつてこう言いました。「化学合成は半分は計画で、半分は偶然です。合成化学者は論理学者や戦略家であるだけでなく、推測し、想像し、創造する探検家でもあります。」シリコンの物語は、科学精神の継承の歴史です。これは、科学者の未知への好奇心と粘り強さを反映しており、実験技術の継続的な進歩を証明しています。シリコンの発見は、自然に対する私たちの理解が無限であることを明らかにするとともに、さらに未知の可能性を探求し続ける意欲を私たちに与えてくれます。画像出典: 記事中の出典のない画像はインターネットからのものです

執筆者：黄 勲傑（上海科学技術館科学コミュニケーションセンター）

科学査読者：李偉（復旦大学化学学部教授）

編集者: 雨