かつてはダイヤモンドを構成する元素であると誤って考えられていたこの元素には、驚くほど多くの用途があります。

最近、中国民用航空大学の学部生チームが、酸化ジルコニウムとチタン合金に適した耐高温接着剤（最高1200℃）の開発に成功しました。この接着剤は、セラミック合金間の高温接合の問題を効果的に解決し、航空宇宙分野での幅広い応用が期待されています。

ジルコニアは、高い融点と低い熱膨張率で知られ、人工ダイヤモンドの主原料です。ジルコニウムは酸化ジルコニウムを構成する主元素として、古くからダイヤモンドの主構成要素であると考えられてきました。実際、科学者がジルコニウムという元素を発見し、命名したのはわずか 200 年前のことです。それはここ数十年でようやく本格的に普及し始め、軽工業、軍事産業、航空宇宙などの分野で広く使用されています。 「原子時代のナンバーワンの金属」として知られています。

天然の赤ジルコン（出典は透かしを参照）

「ゴールデンジェム」は大人気

1789 年の夏、ドイツの科学者クラプロートは「黄金の宝石」と呼ばれるものに非常に興味を持ちました。これはケイ酸塩を含む天然鉱物であり、カットすると美しい光を放つことを知っていたため、西洋人はこれを特別なソフトダイヤモンドとして扱っていたのです。

2,000年以上前、古代ローマの詩人オウィディウスは小説『変身物語』の中で、血のように赤い「黄金の宝石」は太陽神に守られた幸運の石であると述べました。 「ゴールデン ジェム」ジルコンの英語名はペルシャ語に由来し、「黄金の光」を意味します。実は、「黄金の宝石」にはさまざまな色があり、血のように赤い色のほか、無色、黄色、紫、青などもあります。美しい「黄金の宝石」は、古代ギリシャ、古代ローマ、古代インドなどの国々の人々に愛されていました。聖書によれば、それは司祭が身に着けていた12個の宝石のうちの1つでした。これを身につけると皮膚病が治ったり、雷に打たれなくなると言われていました...

さまざまな色のジルコン（出典については透かしをご覧ください）

「黄金の宝石」が西洋人に人気があるもう一つの理由は、その量が少なく、採掘が難しいことだ。これらは通常、海面より低い位置にあり、掘削すると水没してしまうことがよくあります。豊富に産出されるスリランカでは、人々は平和を祈るために「黄金の宝石」を採掘する前に犠牲を捧げる。中世以来、天然の「金の宝石」のほとんどは収集家の宝庫に収まってきました。

発見から精製まで

鉱物研究の豊富な経験を持つクラプロスは、収集家の友人に小さな「金の宝石」を求めた。彼はこの物質を水酸化ナトリウムとともに高温で加熱し、その生成物を塩酸溶液に入れて沈殿させ、実験によりケイ素、ナトリウム、不純物を濾過し、最終的に未知の酸化物（沈殿物）を得ました。彼はさらに研究を進め、この酸化物はアルカリ溶液や通常の酸溶液には溶けず、化学的性質も非常に安定していることを発見しました。

「分析化学の父」クラプロート（写真提供：Chemistry Network）

生来慎重な性格だったクラプロートは、多くの情報を調べましたが、新たに発見された未知の酸化物を解明することはできませんでした。彼は酸化物を2つに分け、それぞれフランスの化学者モルオーとヴォークランに送りました。彼らは、そのような物質は見たことがなく、未知の元素が含まれている可能性があると答えました。クラプロス氏は収集家の友人にもう一つの小さな「金の宝石」を頼み、同じ実験を行った。彼は、その未知の酸化物に炭素とは全く異なる未知の元素が含まれていることを突き止めました。彼はペルシャ語で「黄金の光」という意味に基づいて、この元素を「ジルコニウム」と名付け、化学記号を「Zr」とした。数年後、西洋の学問が東洋に広まるにつれ、清朝末期の科学者たちはこの元素を「ジルコニウム」と翻訳し、「黄金の宝石」は有名なジルコンとなりました。

ジルコニウム原子（出典は透かしを参照）

ジルコニウムの発見には半年強かかりましたが、精製には1世紀以上かかりました。 35年後の1824年、有名なスウェーデンの化学者ベゼリアスは、フッ化ジルコン酸カリウムとカリウムを反応させて加熱し、純度93%のジルコニウムを抽出しました。この記録は一世紀にわたって破られなかった。 1925 年、オランダの科学者デ・ブールとアッカーは電熱線を使用して四ヨウ化ジルコニウムを分解し、純度 99% のジルコニウムを生成しました。約20年後、科学者クスールの指導の下、1944年に米国鉱物局の職員が四塩化ジルコニウムをマグネシウムと加熱して純粋なジルコニウムを得る実験に成功し、金属ジルコニウムの大量生産を開始しました。多くの先進国がジルコニウムの重要性を認識し、関連する研究や実験に人材、物資、資金を投入し始めたのもこの年からでした。

希少金属は幅広い用途がある

ジルコニウムは、超高融点、超硬度、超耐食性などの特性を持つ重要な希少金属です。軽工業、軍事産業、航空宇宙産業などの分野で広く使用されています。

ジルコニウムブロック（出典：レアメタルネットワーク）

産業界では、ジルコニウムはゲッター、冶金、鋳造合金などに使用されます。ゲッターは、ジルコニウムの軽工業における最大の用途の 1 つです。室温では、純粋なジルコニウムの表面は酸素を吸収し、鋼鉄に非常によく似た光沢のある酸化膜を形成します。ジルコニウムは高温では大量の酸素、水素、その他のガスを吸収するため、非常に優れた水素貯蔵材料となります。

ジルコニウムは脱酸、脱硫などに利用され、冶金産業の「ビタミン」として知られています。ジルコニウムにスズ、ニオブなどの金属を加えることで、ジルコニウムの耐食性を生かしたジルコニウム含有合金が作られ、さまざまな精密部品の製造に使われています。

軍事産業や航空宇宙産業において、ジルコニウムは戦車、大砲、装甲車などの製造のための重要な原料であるだけでなく、原子力産業の発展に欠かせない材料でもあります。大型原子力発電所、原子力潜水艦、宇宙船、ロケットなどの製造に使用されます。

ジルコニウムの最も人気のある用途は5G分野です。 5G携帯電話のバックパネル、フィルター、指紋認識モジュールなどの重要な電子部品の原料の一つが酸化ジルコニウム粉末です。さまざまな用途から、ジルコニウムが「原子時代のナンバーワンの金属」と呼ばれるにふさわしいことがわかります。

私の国のジルコニウム産業は飛躍する準備ができている

用途が幅広いため需要が高まり、需要が高いほどその重要性が高まります。世界各国がジルコニウム金属にますます注目するにつれて、ジルコニウム資源は国際鉱物市場におけるホットスポットおよび焦点になりつつあります。

我が国のジルコニウム産業は遅れて始まったにもかかわらず、急速に発展しました。 1970年代、中国は海外のジルコニウム採掘と酸化ジルコニウムの研究に影響を受け、酸化ジルコニウムの実用的研究を開始し、水酸化ナトリウムと塩化ジルコニウムを反応させて酸化ジルコニウムを製造する製造プロセスを確立しました。 1978年、政府は中国初の酸化ジルコニウム生産工場となる江蘇省宜興化学工場を設立しました。この動きは、我が国のジルコニウム産業の発展においても転機となりました。現在、文昌、海南、湛江、広東などにジルコニウム生産拠点があります。

私の国ではジルコニウム資源の埋蔵量が限られています。現在、国内のジルコニウム金属はわずか50万トンで、世界総量の0.6％を占めている。私の国は世界最大のジルコニウム資源の消費国であり、年間需要は120万トン以上（2020年）です。そのため、過去数十年間、ジルコニウム金属は主に輸入に頼ってきました。

ジルコニウム採掘場（出典は透かしを参照）

上記の状況に対応して、専門家は採掘技術の向上、探査努力の増加、生産プロセスの最適化、アプリケーションのより合理的な化を含む3つの解決策を提案しました。その中で、3 番目のアイデアはより明白な実践的効果をもたらします。 2022年、中国科学院上海陶磁器研究所は、酸化ジルコニウム透明セラミックスの研究で画期的な進歩を遂げ、前述の中国民用航空大学のチームが開発した酸化ジルコニウムとチタン合金に適した耐高温接着剤も注目に値する。

科学者や研究チームがたゆまぬ努力を続け、産業が急速に向上すれば、我が国が輸入ジルコニウムに頼る現状を完全に変えることができるだけでなく、かつてはダイヤモンドの材料であると誤って信じられていたこの希少金属が、ますます大きな役割を果たすようになると私は信じています。

参考文献:

1. 「別の元素物語：ジルコニウムの用途を数える」著者：王江、「Nature-Chemistry」コラム

2. 「ジルコニウム基アモルファス合金の微細構造と機械的性質に関する研究資料」著者 Yu Jian、「長安大学ジャーナル：自然科学版」、第 2 号、2008 年

3. 我が国のジルコニウム資源の現状分析と持続可能な開発への提案、沈偉、張芳芳他著、中国鉱業、2016年3月

著者：魏徳勇、広東省深圳作家協会会員