すべては磁器で韻を踏む

すべては磁器で韻を踏む

私は自分が少しキッチン機器オタクであることを自覚しています、いいですか？ だから、私のいとこたちが私が妻と高価なIHクッキングヒーターを手に入れたと伝えたときに、彼らが劇的に目を転がす必要はないかもしれません。そして、その高価なIHクッキングヒーターには、IHバーナーの上に必要な滑らかな調理面が含まれておらず、別の会社から調理面を別途購入する必要があったという事実、そしてウェブサイトではそれほど宣伝されていなかったという事実、そしてそれが私がIHレンジの上にあると思っていた強化ガラスではなく、1平方フィートあたり約30ドルのガラスのシートではなく、5倍の費用がかかるDektonという特別な、新しく作られた素材だったという事実に、私のいらだちを想像できるかもしれません。「一体Dektonとは何だ？」と私は天に、少なくとも妻に尋ねました。

私の質問には2つの答えがありました。最初の答えは、DektonはスペインのCosentino社が2013年に発明した人工素材であり、驚くほど耐熱性、耐圧性、耐傷性、耐破損性、耐汚染性に優れているということです。これは、わずか30年前には加工がほぼ不可能だったハイテク物質です。もう一つの答えは、同様に真実ですが、Dektonは基本的に磁器であるということです。

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逆説的に、磁器は人類最古のハイテク技術の一つであり、最も新しい技術の一つでもあります。最初のプロト磁器は3000年以上前に作られ、当時は鉄冶金とほぼ同時期の開発と同様に、驚くべき技術的偉業でした。鉄技術は19世紀半ばに第二の開花を迎え、ベッセマー法とシーメンス・マルタン法の発明により、メーカーは安価で高品質な鋼鉄を生産できるようになりました。磁器は今日、その復活を遂げています。実際、ハイテクセラミックスは、物質の構造とその物理的特性の関係を研究する材料科学の継続的な高まりにおいて、重要な要素となっています。

デジタル世界の台頭と人工知能の爆発的な出現に正当な注目が集まっています。しかし、その注目は、材料科学によって私たちの物理世界、構築された環境が変容している、同様に重要なプロセスを時折覆い隠してしまいます。ほとんど見えないほどユビキタスなイノベーションの奔流を解き放ち、材料科学は文字通り私たちの周りの壁を変えました。磁器は、新しい種類の物質を創造する欲求が長い間、人間の歴史において強力な役割を果たしてきたことを思い出させてくれます。

カオリン

磁器への最初のステップは、中国北部の陶工たちがカオリンと呼ばれる珍しい粘土、チョークのような色で細かい粒子の粘土をいじり始めたときに起こりました。カオリンはその色で知られており、塗料、コーティング、充填剤に有用でした。陶工たちは、この柔らかく、白く、目立たない泥を極度の温度にさらすと、驚くべき効果が得られることを学びました。

普通の粘土はアモルファスな塊のように見えますが、実際には数多くの微細な結晶で構成されています。結晶は珍しい構造を持っています。平たい板がトランプのデッキのように積み重なっており、ヒドロキシル基（水素と酸素が結合したもの、化学用語では-OH）によって緩く保持されています。窯で粘土を焼くと、ヒドロキシル基が振動して離れ、板がバラバラになって、しっかりと結合した丈夫な構造を形成する針状の結晶に再編成されます。その間、遊離したヒドロキシル基は合体して水分子になり、熱い窯の中で蒸発して、新しい結晶の中に酸素を残します。

カオリン粘土はカオリナイトが豊富です。カオリナイトはアルミニウム、ケイ素、酸素、水素からなる鉱物（Al2Si2O5(OH)4）で、括弧内は各分子に4つのヒドロキシル基があることを意味します。窯で加熱すると、カオリナイトもヒドロキシル基を失い、針状結晶の三次元的な網目構造に再編成されます。しかし、温度が約1200℃に上昇すると、これは通常、陶器の温度よりもはるかに高いですが、カオリンは別のことをします。まず、ケイ素と酸素が分離してシリカを形成し、これが厚い液体ガラスを形成して、針の網目の周りや内部のすべての空間を満たし、高密度で連続した半透明の基材である磁器を形成します。

中国では、他のどこでもそうであったように、セラミックスは何千年もの間、基幹産業でした。粘土は建設（レンガ、日干しレンガ、ワトル・アンド・ドーブ）、調理（鍋、食器）、芸術（絵の具や彫刻）、さらにはコミュニケーション（粘土板は最初の筆記媒体でした）の主要な部分でした。しかし、磁器は複数の革新の連鎖による、巨大な飛躍でした。

普通の窯は磁器に必要な温度に到達できませんでした。その理由の一つは、窯の「屋根」にある排気口が、熱気を発生するのとほぼ同時に外に逃がし、窯を冷やしてしまうことでした。（これは、使用中は見るのが楽しいですが、暖房手段としては非常に非効率的な、従来の家庭用暖炉の問題です。）中国の陶工たちは、熱気を床の通気口から逃がすように強制する下降気流を設計し、陶器の周りの熱を閉じ込めました。驚くべきことに、普通の窯はこのような高温では粉砕したり溶融したりしました。中国の陶工たちは、新しい種類の耐熱レンガを発明しました。そして、その他にも。

アルティンクトゥール

ヨーロッパ人が東アジアの磁器を初めて見たのは、おそらく13世紀のことでしたが、彼らは驚嘆しました。他のどの陶器よりも硬く、強く、細かく、滑らかで、光沢があったため、それは大陸の富裕層や権力者にとって「白い金」として、強迫的な欲望の対象となりました。輝く白い磁器の巨大なセットは、贅沢の象徴となりました。ルネサンス時代のプライベートジェットや招待制クラブのようなものです。

アジアから磁器を輸入する商人によって課される高価格に不満を持っていたヨーロッパのエリートたちは、自国の磁器を作るための努力に惜しみなく投資しましたが、数世紀にわたって完全に失敗しました。

大陸の誰も磁器がカオリンから作られていることを知らなかったことが、重要な問題でした。あるいは、カオリナイトだけでは適切な磁器を作るのに十分なガラス状のケイ酸塩液体を含んでいないため、中国の陶工たちは粉砕された「チャイナストーン」（ケイ素を含む部分的に分解された花崗岩の一種）をカオリナイトに加えていました。

彼らの製品を磁器のように白くしようとして、ヨーロッパの陶工たちは酸化スズや粉砕ガラスなどの材料を粘土に加えていました。このアプローチは、イタリアのマヨルカ、フランスのファイアンス、デルフトウェアにつながりました。結果はしばしば美しかったのですが、磁器の耐水性、高い引張強度、スプーンで叩いたときの磁器カップの独特の響きを欠いていました。

ザクセン選帝侯国生まれの数学者、物理学者、哲学者であるエーレンフリート・ヴァルター・フォン・チアーンハウス伯爵（1651-1708）が登場します。チアーンハウスは当初、数学と哲学を学びましたが、20代で磁器に魅了されました。約1679年から、彼は凹面銅鏡を使用して、さまざまな種類の金属、鉱物、セラミックスに非常に熱い太陽光を照射する一連の実験を行いました。最終的に、彼はガラスレンズが鏡よりも優れていることに気づき、大きな厚いレンズを作るためにガラスを鋳造する方法を発明し、ザクセンに科学アカデミーを設立するための財政的支援を得るための不成功な探求として、その結果のサンプルをヨーロッパの君主に送りました。

1693年から1694年の冬、チアーンハウスは驚くべき発見をしました。それは、溶けない粘土の一種でした。ライプチヒの南東約25マイルにあるザクセン州のコルディッツから採掘されたこの粘土にはカオリンが含まれていました（チアーンハウスはもちろんそれを知りませんでした）。この粘土にアラバスターまたはチョークを加え、混合物を加熱すると、チアーンハウスが「ワックス磁器」と呼んだ、硬く黄色く、やや半透明のセラミックが生成されました。残念ながら、彼はそれを大量に生産できませんでした。彼のレンズは、10～15平方センチメートルの面積に太陽光を集中させることができましたが、どんな大きさの空間も加熱することはできませんでした。商業窯で磁器を作ろうとすると、窯の壁が粉砕したり溶融したりしました。チアーンハウスは、より良い窯を開発しようとしていたときに、ザクセンの支配者であるアウグストス強王にアプローチされました。

数年前、プロイセンの若い詐欺師、ヨハン・フリードリヒ・ベッガーは、あらゆる病気を治し、卑金属を金に変える錬金術物質であるアルティンクトゥールを発見したと公言していました。王の金への渇望は、アルティンクトゥールを独占したいプロイセンの王に、ベッガーを「保護監禁」するように命じました。ベッガーはザクセンに逃亡し、そこでザクセンの同様に金に飢えた支配者であるアウグストス強王に捕らえられ、ドレスデン郊外の要塞の屋根裏部屋に閉じ込められ、金を生産するように命じられました。ベッガーは何年も働き、その間ずっと「錬金術の金」を生産すると約束しました。驚くべきことに、彼はそれを届けることができませんでした。アウグストスは苛立ち、1704年にチアーンハウスにアルティンクトゥールの監督を依頼しました。錬金術に興味を示さなかったチアーンハウスは、代わりにベッガーに磁器で協力するよう誘いました。首を救うために、ベッガーは不承不承同意しました。

チアーンハウス、ベッガー、そして鉱業高官（当時、地球科学者に最も近いもの）であったゴットフリート・パブスト・フォン・オハインは、磁器窯に適したレンガを作れる赤粘土を開発しました。1708年6月、パブスト・フォン・オハインは白い粘土の供給源（正確には、彼はそれを知りませんでしたが、ほぼ純粋なカオリン）を見つけ、それを他の二人に送りました。白い粘土を粉砕した石灰石と混ぜ、新しい赤粘土で作られた窯で8月と9月に加熱した結果、チアーンハウスは一人で白い中国磁器によく似たカップを作成しました。

彼はその勝利を享受することなく亡くなりました。10月、チアーンハウスは突然、赤痢で亡くなったとされています。臨終の際、彼はパブスト・フォン・オハインに書類の入った黒い箱を渡しました。その箱は、彼の死後、ベッガーの持ち物の中から発見されました。これが、1709年3月にアウグストスに、自分が磁器製造プロセスの唯一の発見者であると主張する手紙を書いた理由かもしれません。アウグストスは翌年、ドレスデン近郊の小さな町であるマイセンに王立磁器製造所を正式に設立し、ベッガーを責任者に任命しました。その労働者が「チャイナクレイ」（より正確には、同様の地元の石）が石灰石よりも優れた添加剤であることを発見するのにさらに10年かかりました。マイセンはその後、ヨーロッパの磁器の中心地となりました。アウグストスは莫大な金儲けをしたため、「日本宮殿」を建て、そこにアジアのオリジナル品のマイセンのコピーを並べ、訪問者に中国に勝ったと自慢しました。マイセン磁器はオリジナルのものよりも硬く、多孔性が低かったため、これは正しかったのです。

Dekton

マイセンが磁器2.0なら、私のクッキングヒーター用のDektonは磁器3.0以上です。粉砕した磁器、ガラス、石英のスラリーをスラブに焼き付け、そのスラブを25,000メートルトンの圧力をかける巨大な油圧プレスに通し、1200℃で硬化させて作られたDektonは、発明に6年と約2億ドルかかりました。従来のセラミックスには微細な空隙や欠陥があり、これらは「応力集中点」として機能し、衝撃からのエネルギーを拡散するのではなく集中させるため、ひび割れの原因となります。Dektonを製造するために使用される高圧と熱は、カオリナイトと石英の粒子の原子を、それらが接触する境界を横切って拡散させ、全体を単一の固体塊に相当するものに変えます。その結果、Dektonは磁器の長年の弱点である脆さと構造的な脆弱性をほぼ排除しました。

Dektonは、磁器の継続的な復活の一部に過ぎず、さらに大きな材料科学革命の一部でもあります。この分野は、物理学者、化学者、エンジニアが第二次世界大戦、冷戦、宇宙競争で協力する必要があった1940年代から1950年代に設立されました。しかし、1980年代から1990年代にかけて、精密測定および製造技術の開発とともに、真に飛躍しました。その革新のほとんどは漸進的でしたが、累積された総量は私たちの日常生活に巨大な影響を与えています。

個人的な例を挙げると、私の亡くなった義母は、濡れた磁器のバスルームタイルで滑って永久的な怪我を負いました。これは、米国で毎年何万人もの人々が経験することです。過去には、企業は粗い、ギザギザの粒子でタイルをコーティングして滑り止めタイルを作っていました。それは、表面にサンドペーパーを敷くようなもので、家庭では不評でした。10年前、イタリアとスペインのタイルメーカーであるCeramica Sant’AgostinoやInalcoは、「ウェットアクティベート」または「イン・アウト」タイルを導入しました。表面には特別な結晶性化合物が焼き付けられています。乾いているときは、普通の磁器タイルのように見え、感じられます。しかし、濡れて人が踏むと、圧力によって水が表面の数千の毛穴に吸い込まれ、足とタイルの間に吸盤効果が生じ、滑りにくくなります。（ウェットアクティベートタイルはどれだけの苦しみを防ぐでしょうか？概算によると、防がれた死者の数という点で、小児がんを治すことに相当します。）

もう一つの個人的な例です。私の娘は、11歳の時に珍しい骨感染症にかかり、現在は磁器の股関節を持っています。磁器である理由は、以前のコバルトとクロムの人工関節は金属イオンを血流に放出し、妊娠中の女性の胎盤に移行して胎児に害を及ぼす可能性があるためです。セラミックス企業がウェットアクティベートタイルを導入したのとほぼ同時期に、研究者たちは3Dプリンティングを使用して、欠陥のある骨を置き換えるための多孔質の格子状「バイオセラミック」構造を作成しました。この構造は永久的な置換ではなく、血管や骨細胞がバイオセラミックの空間に移動するのを可能にする足場です。時間とともに、磁器構造は溶解し、患者自身の組織に置き換えられます。（足場は体から排出されます。）

磁器の毛穴を埋めて色深度と耐汚染性を向上させるナノテクノロジーの使用、抗菌活性を高めるために磁器に銀イオン層を刻印すること、または前例のない強度を持つ超薄型歯科インプラントを作るために二ケイ酸リチウムを使用することなどについて、さらに話すこともできます。しかし、おそらく最もよく言えるのは、私の祖母が、母の卵殻のように薄いマイセン磁器をサイドボードに誇らしげに飾っていましたが、私が薄い磁器のスラブの上で、重い湯の入った鍋を無造作に落としながら料理していることを見つけたら驚くだろうということです。しかし、これがどれほど素晴らしいかを息子に説明しようとしたとき、彼は虚ろな顔をしました。彼は磁器でできた世界に住んだことがなかったのですから。