ビスマスの結晶作りは超大変!魅惑の虹色キューブが出来るまで

「最も美しい金属結晶」との呼び声も高いビスマスの人工結晶づくりは慣れた人でも上物を作るのは難しいそうです。専門家によるワークショップに参加した感想と注意点、酸化皮膜による干渉縞の仕組みについてまとめました。

ビスマスの結晶作りは超大変!魅惑の虹色キューブが出来るまで

皆さんビスマスはお好きですか!(・∀・)

ビスマスと言えば幾何学的な形と虹色の光沢が魅力の金属結晶です。今回、逗子の科学サークル カガクの粒さんにてビスマスの人工結晶づくりを観察できるサイエンスワークショップ『結晶のすがた』が開かれるというので行ってきました。

講師は結晶写真の第一人者 山猫だぶ先生。こぢんまりしたイベントながら超濃密で楽しかったれぽ~!

ワークショップ「結晶のすがた」式次第

2時間にわたるイベント内容は以下の通りです。

  • だぶ先生によるビスマス結晶化実演をひたすら眺める
  • 山積みの方解石を片っぱしから割りまくる
  • …の傍らでピアノ生演奏会
  • お茶菓子をいただく

…という何ともフリーダムな構成でございましたよね。

ビスマス結晶とは

ビスマスとは、原子番号83である金属元素の一種です。

特定条件で作られた結晶塊が虹色に輝くことから一部界隈で大人気。ミュージアムショップ等でなかなか良いお値段の標本を見かけることがありますね。

時たま不勉強なメディアが「世界で一番綺麗な天然鉱石」とか書いてたりしますが、別に鉱山掘ったら出てくるようなものではありません。職人さんの手作りやで。ビスマス結晶が「人工結晶」と呼ばれるゆえんです。

今回、そのビスマス結晶制作の観察会があるというので参加してみた次第です。

ビスマス結晶の作りかた

ビスマス結晶作りの装備
開会の挨拶も簡潔に、さっそく実演が開始されました。道具は至ってシンプルです。

  • ビスマスの地金
  • コンロ
  • やっとこなどの工具

ミルクパンは直径15cm程度の小鍋ですが、溶かす分量は10Kgほどにもなるとのこと。奥の地金は500mlペットボトルくらいのサイズで5Kg近くあるようです。

ビスマスはいわゆるレアメタルに相当するため、2014/09/07現在で地金価格がキロ6千円。それが今回10㎏ですから結晶標本の原価率が頭をかすめて一瞬動きが止まりましたよね。

ビスマス結晶の作業手順

ビスマス結晶の作成手順
結晶の育て方は作る人によって細かく手法が異なるようです。ここでは金属塊の表面が固まったところで中身を抜き出し、中空のまま冷やして中身を確認していました。

自然界でも大きな結晶は岩の割れ目などで成長するし、理にかなってる気がします。いざ冷えた金属塊を割ってみると、中にはパステルブルーの空間が広がっていて参加者からどよめきの声が上がりました。

ビスマスの塊

ただし肝心の結晶は惜しくも少なめです。技術はもちろん運の要素が大きいらしく、大きな結晶が育たないことも多いのだとか。ビスマスは再加熱すればまたやり直せるので再度チャレンジ! ←だぶ先生が

構造色による虹色の方解石

再び金属が溶けるのを待つ間に、もう一つの柱である方解石の石割りコーナーへ。

方解石

方解石というのは大理石の親戚で、よく教科書にこんな感じで載ってるアレですね。特徴的な結晶構造により、力を掛けると特定の方向にぱかっと割れます。きらきらした笑顔で無心に鈍器で殴打しまくる皆さん。めっちゃ生き生きしててました。

木目もくめならぬ石の目にクリーンヒットすると劈開へきかいに沿ってスパッと割れて確かに楽しいです。

方解石の干渉虹
方解石の干渉虹

無色透明であるはずの方解石にも淡く虹色が浮き出てます。石と金属、全く関係ないテーマに見せかけて どちらも薄膜構造を持つ結晶つながりでした。

ビスマスは結晶化するときに表面が酸素と反応して薄い膜を作ります。その膜に光が跳ね返ってシャボン玉のような虹色が現れるのですね。

薄膜構造による干渉色チャート
構造色の虹色シミュレーション

【追記:2015/11/10】構造色とは、内部構造によって虹のような色が見える現象です。厳密な波長合わせはしてませんが、シミュレートしてみた結果が上のチャートです。

大きなビスマス結晶

見本コーナーには銀ピカの結晶も置かれてました。こちらは虹色結晶を作ったあと表面を酸で洗い流したものです。表面の皮一枚で見た目の印象が随分違います。…っていうか、ここまで育った結晶の膜を剥がすとか超贅沢。

干渉虹と波長の説明

ビスマスに関する説明の中で「膜の構造によって色が変わる=色を見れば膜の状態が判別できる」というお話がありました。この流れで虹っぽいもの見ると「ここからここまでが何ミクロン」とか瞬時に判る人がたまにいますね。完全に超能力だなと思います。

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虫の干渉色は複膜構造により色が強調されます。

ビスマス結晶再実演

程よい頃合いでビスマス結晶の第二弾が準備できました。融かし直したビスマスを割ってみると、再び広大な空間が現れましたよね。

ビスマス結晶の作成手順
えーと、三度目の挑戦へ続く…。(;・∀・)

リアル元素周期表など室内展示も粒より

だぶ先生が再度準備する間、室内展示物を鑑賞してました。壁面に飾られてて目を引いたのはリアル元素周期表

去年のサイエンスアゴラ(科学技術振興機構主催のサイエンスコミュニケーションイベント)でだぶ先生が出展したものですが、予定があって見に行けなかったのでこれは嬉しい驚きでした。

リアル周期表

見ての通り放射性元素に関しては空席ですけど、まさかの92番が埋まってるの要チェックやで…。(((( ;゚Д゚))){uranium

驚いたと言えば、このとき私の隣に核物理学の野尻-猫-美保子先生がおられます。

野尻先生とKEK一般公開のノベルティ

野尻先生と言えば、ご所属の つくば高エネ研(KEK)で一般公開が控えてますね。お声掛けたら棚ぼた的にノベルティ見せてもろたし、ちょろっとヒッグス粒子のお話も伺ってしまいました。

ノベルティ超絶カワイイし物理勢は絶対つくば行ったら良ろしいよ。(´∀`*)

ビスマス結晶再々実演

溶かして冷やして割ってみ…(以下略

ビスマス結晶の作成手順

とにかく重くて熱いので安全第一と言うことです。作業スペースはかなり広く取ってました。気が緩んでひっくり返したら大変ですもんね。

BGMはバッハの平均律クラヴィア曲集

ほどよく会が進行したところで、だぶ家・ねぼすけさんによるバッハのピアノ演奏が始まりました。サイエンスカフェでピアノ演奏?と言うなかれ。結晶とバッハにはただならぬ繋がりがあるのです。

短いフレーズが何度も繰り返されて独特の雰囲気を作っている楽曲ですね。個人的にバッハはヨーヨーマでちょろっと聞く程度なので弦楽器の印象が強いんですけど、ピアノで聞くとずいぶん感じが違います。

フラクタル幾何学(上) (ちくま学芸文庫)

バッハと言えば今まで何となくフラクタル図形を連想してたんですけど、改めて打弦楽器としてのピアノで聞くと塊で積み上がるタイリングパターンに近いかも知れません。

それが結晶の実演やってる横で流れてるわけです。こーれーはーヤバい!

手塚治虫クラシック音楽館

かの手塚治虫も、「ルードウィヒ・B」にてバッハ平均律クラヴィアの対位法を「組み上がったブロックのような構造物」で例えてました。こう言うのも共感覚の一種なのかな。

金属結晶とマクロ撮影の裏話

結晶を作る金属はビスマスの専売特許かと言ったらそんなことは全然なくて、お馴染みの金やプラチナによるバラエティ豊かな写真が掲示されてました。

プラチナの結晶
だぶ作品を知る人には有名な(?)プラチナの元標本

本物の結晶は5mm角程度の小片なのに、壮大なスケール感で映っていて、本当に素晴らしい写真群です。以前からどうなってるのかと思ってたので撮影方法を伺ったら深度合成してるそうです。マクロ写真怖いわー。まじ怖いわ-。

よくわかる元素図鑑
左巻 健男 , 田中 陵二(=だぶ先生)
【楽天】
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チョサッ権の都合で書影より引用します。

左上の金や右中央の銅が展示されてた写真と同じものです。他にも展示写真多数で眼福でした。

美しい元素【楽天】 / 【Amazon】

図鑑に親しみのないご家庭にも勧めやすい驚きの500円台。ムックだけど割と読み応えあります。

ビスマス観察会に行ってきましたよ感想

そんなわけでレアメタルの金融作業をたっぷり見て参りました。巷で人気のビスマス結晶づくり、想像以上に安定しない反応なんですね。

結晶の専門家が作業してもこんなに失敗があるんだというのが一番の驚きでした。なのにお土産に指先大のビスマス結晶を頂いてしまって 完全に参加費の元が取れたぜヒャッハー 恐縮の極みであります…。><

ビスマス人工結晶 石華工匠
お土産ビスマス製造元。改めて見本に置かれてた銀ピカ結晶の輝きが目に染みます。(-人-)

帰り際、かつて半導体の製造歩留まりが非常に悪かったという話を思い出しました。意図的に不純物を導入することで飛躍的に安定したようなのですが、ビスマスにもそういうのがあれば良いのにね。

ビスマス結晶とフィボナッチ数列

あと、色んな角度から眺めててあちこちにフィボナッチ数列っぽいものを見つけました。でも13くらいで挙動が変わるの何でだろう?

とりあえず難しいことは良くわかんないけど結晶眺めてるのは楽しかったです。手作りでアイディア満載のとても素敵な会でした~。(´∀`*)

結晶クッキー

結晶を模したお茶菓子のクッキーとビスマスをイメージしたレイアウトがGJです。何かこういうの良いな-。

ちなみにカガクの粒サイエンスカフェの次回ゲストは既に決まってるそうで、なんとなんとアノ人なんだぜ!

カガクの粒: イベントのご案内 2014年9月
※ 内容が判りにくいのでタイトル変えました。旧題:『金融工作の知られざる実態←ビスマス結晶観察会に行ってきたよ!』