暑い時期に冷たい飲み物を美味しく飲むお話

暑い季節になると冷やしグッズがいろいろと出てきます。
軽石のような個体の保冷剤を見かけることがありますね。
飲み物の中に直接入れられて、溶けないから味も変わらないとのこと。
そして30億年間かけて地下でゆっくりと造られた神秘性？？？

保冷を考えるのはややこしいので、冷却について考えてみましょう。

20℃の水100mLが容器の中に入っているとします。
容器や水面からの熱のやりとりは無いものとしましょう。



ここに冷凍庫で冷やした-16℃の固体保冷剤100ｇを入れたとします。
固体保冷材は酸化マグネシウムと酸化珪素からできていて、定圧比熱は700J/kg・Kくらいです。水の定圧比熱は4200J/kg・Kくらいですので、同じ重さの水に比べて6分の1の熱量しかありません。
水との温度差は36℃ありますが、実質温度差6℃の水100gと変わらないことになります。
水の温度は17℃といったところですか。

固体保冷材のかわりに氷100gを入れたとします。
氷の定圧比熱はだいたい2100J/kg・Kくらいですので、固体保冷材の3倍もあります。
温度差18℃の水100gくらいの熱量ですね。
水の温度を11℃にまで下げられますね。



コップに氷をたくさん入れて室温の水やジュースをいっぱい注ぐと気持ちよく冷たい飲み物になりますが、氷の代替品はなかなかないようです。

実はこれだけでは終わりません。
氷が溶けて水になるとき、氷1gあたり330Jほどの熱をまわりから奪います。融解熱というやつです。単位を比熱て使ったkgに直すと、1kgあたり330000J。同じ量の水を80℃も温度を下げてしまいます。
11℃の水100gの中に100gの氷が入っているので、氷が全部溶けたら水の温度は-70℃にもなってしまいます（笑）。あ、いや、氷自身は０℃の水100gになるので、氷で冷やされただけの水と混ざって－35℃かな。
水は0℃よりも温度が下がると氷になります。その時に凝固熱が要りますので、実際にはー35℃なんていうことにはなりません。（融解熱と凝固熱は同じ熱量ですから、外に逃げていく熱が無ければ、水の温度が０℃になった後で同じ量の水が溶けたり固まったりするだけです（要はそのまま）。



ドリンクにいれた氷がいつまでも解けずに気持ち良い冷たさを保ってくれるのは、こういうことだったのです。
なかなか他では代え難いですね。
水や氷は比熱が大きいですし、凝固熱・融解熱もとても大きいです。
化学的に造られた冷媒などは大きな熱量をもったものもありますが、ドリンクに入れられませんね。　飲み物を冷やすには氷が一番いいようです。
水が一番神秘的だったようです。


注）本文中の比熱などの値はかなり大雑把です！

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結晶を作る技術２ FZ法

Nd:YVO4というレーザーデバイス用結晶を例に挙げて、結晶製造についての従来技術の課題をご説明しました。
では、現在の技術で高品質結晶は作れないかというと、必ずしもそうではありません。
フローティングゾーン（FZ）法という方法を使えば、高品質な結晶をつくる事ができます。

FZ法は、原材料を細長い棒状に焼き固めてぶら下げたものと種結晶との間に原材料融液の帯をつくり、その融液から結晶を析出させる技術です。



坩堝を使いませんから、CZ法で酸素欠損不純物や坩堝の酸化物が結晶中に異物として入り込んでしまうような、結晶純度に係る問題は発生しません。
付け加えると、イリジウム（Ir）のような超高価な金属でできている坩堝を使いませんので、ランニングコストはとても低く抑えられます。

さらに付け加えると、CZ法では大問題となる偏析の問題も、FZ法では大きな問題になりません。

ちょっと詳しく説明しましょう。
Nd:YVO4結晶で、YVO4結晶にちょっと加えてYと置き換えるNdを、ドーパントといいます。原材料のドーパント濃度がa％のとき、結晶中に入り込むドーパント濃度がa×0.6％だとします。このとき偏析係数0.6といいます。

FZ法でNd濃度a％の原材料からNd:YVO4結晶をつくることを考えます。
初期にできた結晶は、Nd濃度がa×0.6％です。結晶に入れなかったNdは原材料融液中に留まりますから、原材料融液のドーパント濃度はa％よりも高くなります。結晶や融液の体積がわからないので具体的な数字にはしにくいですので、a+b％になります。
原材料融液の濃度が高くなるので結晶中に入り込むドーパントの濃度もだんだん高くなりますが、融液にはドーパント濃度a％の原材料が随時継ぎ足されているので、融液側のドーパント濃度の上昇は激しくはありません。
だんだん融液のドーパント濃度がたかくなっていき、1.666．．．×a％になったとき、析出する結晶中のドーパント濃度は1.666．．．×a×0.6＝a％になります。
融液に供給される原材料のドーパント濃度はa％ですから、これ以上融液のドーパント濃度は高くなりません。結晶として出て行った分だけ原材料から入ってくる。バランスされるわけです。



ここから先は、ドーパント濃度が一定の結晶が出来続けてくれます。

このように、FZ法では高純度で均質な結晶を作る事ができます。

では、なぜ結晶製造方法といえばCZ法で、FZ法はあまり使われていないのでしょうか。
（これは初めて書きましたね。　結晶製造にFZ法は殆ど使われていません）

一言で言えば、結晶が細すぎてデバイスの取れ数が少なすぎるためです。

結晶の作りやすさは材料ごとにまるで違います。
例えば例に挙げているNd:YVO4結晶の場合、CZ法だと直径4センチ、長さ7センチくらいの結晶を1週間くらいかけて作ります。
FZ法では、直径8mm、長さ7センチくらいの結晶を1日で、と言ったところでしょうか。
直径が５分の１なので、長さが同じでも体積は25分の１です。
デバイスの取れ数は25分の１以下ですね。
（切断時の切りしろを考慮すると、かなり少なくなります。）
かかる日数は7分の１なので、その分フル回転するとして、一つの結晶製造装置から作られるデバイスの数は4分の1。装置への材料等のセッティング工数を考えると、デバイス一つあたりの結晶製造コストは10倍くらいになってしまうわけです。

CZ法で作られた結晶の品質では使えないような高性能や組成の均質性が求められる用途で、ようやく比較ができるようになる、と言った感じでしょう。

高品質な結晶が求められる場面。例えば、ものすごく高度なデバイスを作るとか、あるいは素材の基礎研究をするとか、そういう場面ではFZ法が使われているようです。
ようです、と言うのは、やはりそうは簡単な問題ではない、という事です。

FZ法は難しいです。

細い結晶と細い原材料焼結棒との間に融液が表面張力だけで保持されているのです。原料棒がちょっとでも揺れたりしたら融液は垂れ下がってしまいます。




原料棒は、原材料を高温で焼き固めて焼結体にしたものです。
混ぜ合わせた物質それぞれが残っていたり、一部反応したりしたものの混合体です。焼結体なので、一つ一つの粒子の内部と表面とで組成が違ったりもします。
均質に焼結するには、セラミックスの高度な技術が必要になります。
結晶を作るためにセラミックスの高度な技術が必要・・・なんだか訳のわからない話になりますね。
いずれにしろ、原料棒はセラミックスなので、密度は100％ではありません。組成のムラもあります。原料棒が融液と接している部分の表面超力が融液を支えていると言いましたが、この界面では融液が原料棒の空孔に吸い込まれたり、一部溶けやすい部分から先に溶けたりします。　酸化物は溶けると光を吸収しやすくなるので、一部溶けた部分はどんどん高温になり、周囲の原料を溶かします。こうして、原料の溶けやすい部分が一気に溶けて、界面の形状が不均質になります。　こうなると融液を維持するのが難しくなり、融液はたれてしまいます。



FZ法には、少なくとも一般的な自動制御アルゴリズムはありません。
仮に全てがうまくいっていたとしても、そのままうまく結晶ができるかは、神のみぞ知る、そして匠の技が神の声に少し近づく。そんな感じです。

材料の研究を進めたい研究者や、論文を書きたい大学院生、高度な試作的デバイスを製造するデバイスメーカーの開発よりの製造部にとって、これは大きな負担です。
材料研究のハードルを下げて地球と共生するモノづくりの世界を創りたくても、高品質な結晶デバイスで社会に貢献したくても、その方法が存在しないというのが実情なのです。

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情熱はきっと共有できるので！

ネットでテックプラングランプリへの出場宣言を見かけたので、ついつい応援メッセージを送ってみました。そうしたらすごく丁寧で、なおかつ相手の心をくすぐる返事をもらえました。　歳はすごく若い。平成生まれですね。



パッションとガッツがある（まだ見ても聞いてもいなけど、テックプラングランプリに出るくらいなんだから、相当なものですよ）、他人との接し方も大したもの。
こういう若い人たちがどんどん出てくるんだと嬉しく誇らしく、そして思ったのが、ならば僕らはどこに居ればよいのか。

黙っていたら居場所がなくなる。　活躍のしようがなくなる。
止まっていたら、居場所なんかなくなるんです。

走り続けて前進をするしか、我々に居場所はないんですね。

それを感じました。

いい気分です。

7月4日はいい気分をしに行きます。
何十倍のエネルギーをもらって帰ってこないと。



（ちなみに、いくつも共通点がある青年でした。よし！応援しよう！！　僕の応援が力になるかなんて、まあいいや）　

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結晶を作る技術１ CZ法

結晶はモノづくりの基本中の基本というお話を、昨日書かせていただきました。

従来の結晶製造技術は、この基本中の基本という命題を果たすのに十分の能力を持っていたのでしょうか。ちょっと検証してみます。

半導体用のシリコン単結晶などを製造する「チョクラルスキー（CZ）法」という技術が有名です。



例えば、シリコンの単結晶を造るとき、SiO2の坩堝を使います。
1400℃くらいの高温でシリコンを溶かしますが、このくらいの高温になると、坩堝からSiO2が原材料の中に混入します。SiO2のうちSiはシリコンですからいいとして、O2つまり酸素も混入しているんです。
ITの核となるプロセッサやメモリデバイスに使われるシリコン単結晶は、実はけっこう酸素が混入していたんです。

大電力を制御するパワー半導体用のシリコン単結晶は、大きな電圧がかかっても確実にオン-オフできるように、酸素混入量の少ないものを使います。これは坩堝を使うことができないため、「フローティングゾーン（FZ）法」という別の技術を使って作られています。

さて、シリコン以外の単結晶の事も考えてみましょう。
高出力のレーザーを発生させるNd:YVO4という単結晶があります。
YVO4という結晶のY（イットリウム）の一部をNd（ネオジム）に置き換えた結晶で、Ndが励起した後に基底状態に戻る時にレーザーを発振します、が、長くなるのでこのお話はまだ今度。

Nd:YVO4は酸化物ですから、原料が溶けるときに酸素が離れやすくなります。ですから、原料を溶かして固める結晶製造プロセスでは、酸素雰囲気で行いたいです。

Nd:YVO4の融点は2000℃くらい。この温度で溶けている原料を入れられる坩堝はIr（イリジウム）という金属くらいです。　恐竜を絶滅させたと言われる隕石に含まれていたという金属ですね。　このIrで坩堝を作って、その中でNd:YVO4を溶かして結晶を造るわけですが、Irは金属です。酸素中で高温にすると酸化（要するに錆びる）します。酸化したらボロボロになって坩堝の役目を果たさなくなるので、殆ど酸素を入れられません。
結晶を作るときにネッキングという工程がありますが、リアルネッキング、首を絞めて窒息させながら結晶を作っているようなものです。
酸素が足りない（酸素欠損）結晶ができてしまいます。　せっかく酸欠の結晶を作っても、原料から分離した酸素が坩堝を錆びさせて、Irの酸化物ができて、これが原料中に入り込みます。



結晶の中には、酸素が足りない組成となった不純物や、Irの酸化物などの不純物が混ざり込んでいるわけです。

このため、結晶デバイスの性能はなかなか安定しません。

さらには、このNd、YVO4の中に上手に入ってくれません。
原料中、Yのうち1％がNdに置き換えられていたとします。
結晶になるときには、Ndが0.6％くらいに減ってしまいます。　これを編析といいます。
結晶中に入れなかったNdはどうなるか、原料中に残ります。そうすると、原料のNd成分は少し濃くなります。原料のNdがだんだん濃くなって2％になったら、その時に結晶になった部分のNdは1.2％。　このように、結晶の組成も、実は結晶の中で不均質です。

このように、CZ法で作られた結晶というのは、デバイスとしてあまり良い材料とは言えません。材料の本質を知るための標準試料としては、それこそ大問題です。

このように、結晶は大事な物質なのですが、それを正しく作るのは実はとても難しいことなのです。

当社では、この問題を解決する独自の新技術を開発しました。
いずれ詳しくこのブログで紹介しますが、まずはWebページを見ていただけると嬉しいです。

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結晶とものづくり

材料は世界の歴史をつくってきました。

古くは土器の時代。
石器、鉄器。。。
鉄、非鉄金属、プラスチック。。。
数え上げたらキリがありません。

近年では、半導体や炭素繊維など、新たな材料が我々の世界を根底から変えてくれています。

便利な機械も、ドローンなどの世界を変えると言われている新しいハイテク機器も、全て材料の進化の上になりたっています。

では、材料はいったいどのようなものの上に成り立っているのでしょう。
それは、「結晶」です。

結晶とは、科学の教科書のはじめの方に出てくる、サイコロのような形をしたアレです。
原子と原子が結びついて・・・というやつですね。

原子一個では材料の性質を示しません。
例えば、鉄は金属光沢を持った銀色ですね。
酸素は、常温では無色の気体なので見えませんが、極低温では青い液体です。
この銀色の鉄と青い酸素が結びついて赤や黒の酸化鉄になります。
どちらも単体では赤や黒ではありませんね。
結びつくことで、始めて赤や黒という酸化鉄の性質を示したわけです。

この材料の性質は、電子で決まります。
よく、周期表の同じ縦の列にある元素は似たような性質を示すと言われますね。
これは、同じような電子配置をとっているためです。

我々の身の回りの材料は、原子が集まって結晶の形をとり、その時にできた電子配置によって性質を示しています。
つまり、素材の性質を決めているのは結晶と言っても構わないわけです。

材料科学分野では、この結晶の性質を詳しく解析するために、目に見えるような大きな一つの結晶である単結晶を作って、標準試料とします。

モノの基本である結晶、その結晶を人が理解できるように大きく揃えたものが単結晶というわけです。
言い換えてみれば、単結晶とは、モノを語る上での最も基礎の基礎、土台となるものなわけです。
さらに言い換えれば、イロハの「イ」、言語にとっての読み書きのようなもの、モノを構成する文字が単結晶という訳です。

実は、モノづくりはもとより、材料科学の分野でも、結晶を通らずに新素材開発などが行われていることがよくあります。
文字の書き方を知らない人が文学者や文筆業、論文書きを名乗れるでしょうか？
材料科学とは、実はずいぶん怪しい土台の上に成り立っているものなのです。

資源の枯渇、環境破壊、我々人類が地球を掘り返して様々な材料を取り漁っているうちに、色々な問題が取りだたされて来るようになりました。
もう一度材料を基本から見つめ直して、我々の社会を構成するモノを考え直してみる必要があるかと思います。

逆な見方をすれば、モノを土台である結晶から見直してよく知りながら使うことで、今以上に優れた素材も生み出されてくると考えられます。
そしてその新素材が生み出されてくる課程でも、正しく材料を使い、地球にやさしい科学技術を開発する、そんな世界につながると思えるのです。
そんな未来志向のモノづくりを、結晶科学の立場から作り上げていくことができると考えています。

さて、モノの基本は結晶だと言いましたが、やはり原子だ、いや、素粒子だと考える方もいると思います。
それについてはまたいつか。

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補助金申請と事業計画

これまでにいくつも各種申請やビジネスコンテスト出場などのために事業計画書を書いています。
今回採択して頂いたものづくり補助金の申請のためにも事業計画書を作成しました。

今回の申請書は、たくさんのメンターの方々に協力していただき、ご意見を伺いながら、自力で完成させました。
お手伝いしていただくお金がなかったから、と言ってしまえばそうかもしれませんが、事業計画書の作成、それ自体の価値を味わい尽くすため、というのが本心です。

募集要項を読むと、何を書かなければならないか、細かく指示されています。
そして、経済産業省では特定ものづくり基盤技術高度化指針というのを策定していて、それに従った申請書となることを求められています。
ここで、国の指針に沿っていては、自分のビジネスモデルが成り立たなくなると、一瞬チラッと思いました。

しかし、それはあたってはいませんでした。

ベンチャーにとっては資金獲得は最大の仕事ですから、申請書作成のための要項や指針を熟読しました。
プリントアウトした冊子が大げさでなく擦り切れました。
そして理解したのは、国は自分が参画しようとしている技術分野に何を求め、どういう将来像を求め、何をして欲しいと考えているか、その概型がしっかりと示されている、ということです。
概型に自分のビジネスモデルを重ね合わせれば、自分でも気がつかなかった可能性や諦めていた展開へのいと口が見えてきました。

そうやって作成した事業計画書には、自分のオリジナリティ、研究開発のベクトル、描く将来の世界観が理解されやすく書かれていたのではないでしょうか。
これが、厳しい条件下で生き残れた唯一の理由だと考えています。

考えても見てください。
基本的に、官僚は優秀です。
（採択してもらったからと言ってシッポを振っているわけじゃないですよ！）
学校に一人しかいないような超優秀な人の行き先です。
大抵の会社には同じレベルの人がいないくらいの人たちです。
その官僚が策定した指針です。
本筋には相応の価値があると考えられます。

世の中で、官僚は優秀！とか言うと、たいてい異論が出てきます。
それもよくわかります。
ハテナ、と思うことは山ほどありますから。
しかし、なぜハテナになるのか、もしかしたら我々が好き好んでハテナに当てはめているのではないでしょうか。
行政の指針にはしっかりとした核が必要です。
国民に対して最大公約数的な核。国民に広く行き渡る核ですね。
例えば、９氏と１２君がいたとして、行政は最大公約数３を与えれば良いわけです。
後は個々の努力、そして個性の発揮です。
しかし、ポピュリズムでは。。。正確には大衆迎合主義では、最小公倍数（下手したら最小ですらない）を求められ、いつの間にか９氏と１２君のために３６の施策が行われています。
無駄だし、自分に必要のないものが見えるので不満は高まるし、それどころ１３まで入っていて嫌悪感すら持たれます。
しかし、それを求めていたのは誰？
我々ではなかったのでしょうか。

話を戻します。
事業計画には、中心となるしっかりとした核があれば、そこに個性を重ねていけば可能性の高い計画が出来上がると思います。
自分のプランを研ぎ澄ませて、何を以て何を成し遂げたいのか、絞りきった核と向き合うことで、計画はブラッシュアップされるのではないでしょうか。
余計なことが入りすぎていた。　必要なことが抜けていた。
そんなことに気がつきました。
自分のやりたいことだけを分別なく言い張っていたら、それはただのワガママです。
わがままに補助金を出す政府はありませんし、ワガママにお金を出して買うお客もいません。
ジョブスだって、お客はこういうものを求めているという確信という核があったから、そこに強烈な個性を乗せたプロダクトで世界を席巻していった訳ですよね。

もちろん、省庁が策定した指針だけが核という訳ではありません。
ジョブスの核を米国政府が策定したとは到底思えませんし。
色々な核があるでしょう。
ビジネスという世界では、やはりその核は自分の外側にあるものと考えるべきでしょう。

「型があるから型破り、型が無ければそれは形無し」

座右の銘にさせてもらっています。
型を見直すのに、今回の事業計画書作成は非常に良い経験になりました。

事業計画書というのは、別に自分の身上書ではありません。
自分の個性に満ちた身上書は、自分の中にあればいいのです。
しっかしとした型に裏打ちされた事業計画に、自らの個性を存分に発揮した身上書を重ねていけば、きっとこれからも自分自身がワクワクするビジネスプランが湧いてくるのではないかと楽しみにしています。

さて、材料科学はものづくりの最も基本的な型です。
この型を再度見つめ直して、これからのものづくりをより輝かせt行こうというのが、AKT技術研究所の事業目的です。
こんな絵を書きました。
これは、計画書を書きながら出来上がっていったものです。



最後まで読んでいただいて、ありがとうございました。

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平成26年度補正 ものづくり補助金に採択されました！

平成26年度補正　ものづくり・商業・サービス革新補助金に採択されました。
区分はものづくり技術です。

誰よりも日本のものづくりを根本から変えていく技術での申請であるとの自負はありました。
しかし、まだ実績のないベンチャーの個人事業です。
名だたる日本の中小企業がこぞって申請している、通称「もの補助」のハードルは、倍率以上に厳しいものと
覚悟していました。
そのなかで採択されたことは誇りに思っています。

これまで、多くの皆様方に助けて来ていただいています。
今回の採択もその一つの現れです。
AKT技術研究所の事業を確固たるものとして確立し、日本の製造業の基盤技術の提供者となるにはまだまだ長い道のりが
まっています。
ほんの一歩ですが、前に進むことができました。
皆さまへの感謝の思いを忘れずに、これからも邁進していきたいと思います。

今後とも宜しくお願い申し上げます。

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TechPlanterで世界を変えよう！

今年もテックプラングランプリの季節がやってきました！
科学と技術で世界を変えてやろうという大きな夢と希望を持った、とても稀有なビジネスプランコンテストです。
去年、このコンテストに出場したことで、世界が大きく変わりました。
本当に世界を変えていきたいなら、是非出場してみてはどうでしょうか！？
貴方の世界も変わります！！
今年は、新しいチャレンジャーの応援と、パッションを分けてもらいに行きます。

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