ケイ素とは何ですか？
ケイ素（記号Si）は周期表の元素14で、3周期、14族の半金属です。 砂を文明の基盤へと変えた元素です。これまでに使ったすべてのプロセッサーは、超高純度のケイ素の板でできています。 室温では固体です。
物語
ケイ素とは何か、そしてどのように発見されたか
ケイ素は情報化時代を築き、足元に広がる地面の大部分を構成している元素です。地球の地殻では酸素に次いで最も豊富な元素であり、岩石、砂、ガラスの骨格を形成しています。しかし、ケイ素の真の革命は、科学者たちが純度99.9999999%まで精製する方法を学んだときに起こりました。これにより、あらゆるコンピューター、スマートフォン、デジタル機器を動かす半導体チップが生み出されました。シリコンバレーは、電気を毎秒数十億回、導体と絶縁体の間で切り替えられるこの元素にちなんで名付けられました。古代のガラス窓から現代の太陽光パネルまで、コンピューターチップから乳房インプラントまで、ケイ素は数え切れないほど多くの形で私たちの世界を形作っています。あらゆる海岸の砂粒は、その大部分が二酸化ケイ素でできており、スマートフォンを動かすのと同じ元素から城を作っているのです。
ケイ素の発見
ケイ素：古代のガラスからデジタル革命へ
ケイ素の発見の物語は、ケイ素化合物を知らずに利用していた古代のガラス職人から、純粋な元素を単離した19世紀の化学者まで、数千年にわたります。そして最終的に、現代文明を特徴づけるデジタル時代の実現へとつながりました。
古代のケイ素利用
人類は、ケイ素化合物であることを知らないまま、9,000年以上にわたってそれらを利用してきました。考古学的証拠から、古代文明が原子論を理解するはるか以前に、ケイ酸塩技術を確立していたことがわかります。
初期のケイ酸塩技術
紀元前7000年：中国と中東で、ケイ素を多く含む粘土を使った最初の陶器が作られました
紀元前3500年：メソポタミアで、ケイ砂とカリウム化合物を使ったガラス作りが行われました
紀元前1500年：エジプトの職人が二酸化ケイ素を使って精巧なガラス容器を作りました
紀元前500年：ローマのコンクリートに、非晶質シリカを多く含む火山灰（ポッツォラーナ）が取り入れられました
ローマ人は、ヴェスヴィオ山のケイ素を多く含む火山灰を使い、知らず知らずのうちに歴史上でも特に耐久性の高いコンクリートを作りました。紀元126年に建設されたローマのパンテオンが今日も残っているのは、ケイ素によって強化されたコンクリート製ドームのおかげでもあります。
初期の化学研究
ケイ素の科学的研究は、化学者たちが鉱物や化合物を体系的に研究し始めた啓蒙時代に始まりました。
Antoine Lavoisier (1743-1794)
フランスの化学者Antoine-Laurent de Lavoisierは、シリカ（SiO₂）に未知の元素が含まれている可能性を初めて指摘しました。1789年の画期的な著作「化学元素論」で、Lavoisierはシリカを、未発見の元素を含むと考えられる化合物の一つとして挙げ、後の単離の試みへの基礎を築きました。
大規模な単離競争（1810-1824）
ヨーロッパ各地の複数の化学者が純粋なケイ素の単離を競い、10年以上にわたる主張の対立と科学的論争を引き起こしました。
Sir Humphry Davyの最初の試み（1808-1810）
イギリスの化学者Sir Humphry Davy（1778-1829）は、発明したばかりの電池を使い、1808年に初めてケイ素の単離を試みました。Davyはシリカを電気分解しましたが、不純な黒色粉末を得ることしかできませんでした。成功には至らなかったものの、ラテン語の「silex」（火打ち石）に、「-on」（carbonやboronのような語尾）を加えて「silicon」という名称を作りました。
Joseph Louis Gay-LussacとLouis Jacques Thénard（1811）
フランスの化学者Gay-Lussac（1778-1850）とThénard（1777-1857）は、四フッ化ケイ素（SiF₄）とカリウムを加熱してケイ素の単離を試みました。彼らはケイ素だと考えた褐色の粉末を生成しましたが、後の分析で、それは純粋な元素ではなく、かなりの量のケイ素化合物を含んでいることが明らかになりました。
Jöns Jacob Berzelius：真の発見者（1824）
スウェーデンの化学者Jöns Jacob Berzelius（1779-1848）は、1824年5月15日に、純粋なケイ素の単離を初めて確認しました。体系的な方法と綿密な記録により、彼はケイ素の真の発見者として認められました。
飛躍をもたらした方法
Berzeliusは、四フッ化ケイ素（SiF₄）を金属カリウムとともに鉄製るつぼで加熱しました。
SiF₄ + 4K → Si + 4KF
彼の工夫は、生成物を水で洗ってフッ化カリウムを除去し、次に希塩酸で未反応のカリウムを溶かし、純粋なケイ素を残すことでした。Berzeliusは生成物を「金属光沢をもつ褐色の粉末」と表現しました。
歴史的な言葉：「褐色がかった塊を得た。それを顕微鏡で調べると、金属粒子からなるように見えた……この物質は金属状態のケイ素である。」
産業用ケイ素革命（1854-1900）
19世紀後半に産業用途が登場するまで、ケイ素は実験室の珍しい物質にとどまっていました。
Henri Sainte-Claire Devilleの進歩（1854）
フランスの化学者Henri Sainte-Claire Deville（1818-1881）は、高温でシリカをアルミニウム粉末によって還元し、ケイ素の製造を改良しました。この方法により、より大規模にケイ素を製造できるようになり、初めての商業用途が可能になりました。
電気炉による製造（1898）
Edward Goodrich Acheson（1856-1931）は、炭化ケイ素（カーボランダム）と、後には純粋なケイ素を製造する電気炉法を開発しました。彼の会社であるThe Carborundum Companyは、研磨材、さらに後には半導体材料を供給する、最初の主要なケイ素生産企業となりました。
半導体時代（1940-現在）
ケイ素が実験室の新奇な物質から文明を決定づける材料へと変化し始めたのは、第二次世界大戦中にレーダー技術が開発された時期でした。
主な milestones
1940年：Bell LabsのRussell Ohlが、ケイ素における光起電力効果を発見しました
1947年：Bardeen、Brattain、Shockleyが、最初のトランジスタ（ゲルマニウムを基盤とする）を発明しました
1954年：Bell Labsが、実用的な最初のケイ素太陽電池（効率6%）を作りました
1958年：Jack Kilbyがゲルマニウムを使って集積回路を発明し、Robert Noyceがケイ素によって改良しました
1961年：最初の商用ケイ素集積回路の生産が始まりました
1971年：Intelが4004マイクロプロセッサを発表しました。これは1枚のチップに収められた最初のコンピューターでした
現代に受け継がれる遺産
今日、ケイ素は世界規模の通信、人工知能、再生可能エネルギー、宇宙探査を可能にしています。1824年のBerzeliusの小さな褐色粉末から、数十億個のトランジスタを搭載したプロセッサに至るまで、ケイ素の歩みは、化学史上でも特に大きな変革をもたらした発見の一つを示しています。
現在の統計
- 世界の生産量：年間800万トン超のケイ素
- 半導体産業：$574億ドル（2022年）
- 太陽光発電：世界で導入されたケイ素太陽光発電容量1テラワット超
- デジタル機器：年間150億台超のケイ素ベース機器を生産
Berzeliusの遺産：ケイ素を単離したスウェーデンの化学者は、自分の褐色の金属粉末が、人類文明最大の技術革命の基盤になるとは想像もできなかったでしょう。すべてのスマートフォン、コンピューター、太陽光パネルは、1824年のあの日、Berzeliusが初めて純粋なケイ素を手にした瞬間へと、その系譜をたどることができます。