Cát Siêu Tinh Khiết, Bí Mật Siêu Cấp Tạo Nên Chiếc Điện Thoại Của Bạn

Sau khi rời nhà thờ vào một buổi sáng Chủ Nhật mát mẻ, ở Spruce Pine, Bắc Carolina, Alex Glover trượt lên bàn nhựa của một góc nhỏ tại nhà hàng McDonald’s. Anh ta nghịch trong cặp xách của mình, sau đó lấy ra một túi sandwich nhựa đầy bột trắng. “Tôi hy vọng chúng ta không bị bắt,” anh ta nói. “Ai đó có thể có ý tưởng lầm lạc.”

Glover là một nhà địa chất mới nghỉ hưu, đã dành nhiều thập kỷ săn khoáng có giá trị trên các đồi và hẻm núi của dãy núi Appalachian bao quanh thị trấn nhỏ này. Anh ta là một người đàn ông nhỏ bé, tròn trịa với kính tròn nhỏ, râu trắng gọn và mái tóc phối hợp được kẹp dưới mũ baseball Jeep. Anh ta nói chuyện với một giọng địa phương vừa vặn, nhấn mạnh vào âm tiết đầu tiên và kéo dài một số nguyên âm, khiến cho chúng tôi uống CAWWfee trong khi anh ta giải thích vì sao khu vực hẻo lánh này lại quan trọng đến vậy đối với thế giới còn lại.

Spruce Pine không phải là một nơi giàu có. Khu trung tâm của nó bao gồm một ga tàu chậm rãi đối diện với một vài khối nhà hai tầng là những tòa nhà gạch, bao gồm một rạp chiếu phim đã đóng cửa từ lâu và một số cửa hàng trống rỗ.

Những ngọn núi rừng xung quanh nó, tuy nhiên, giàu đủ loại đá quý có giá trị, một số được đánh giá cao vì ứng dụng công nghiệp, một số vì vẻ đẹp tinh khôi. Nhưng khoáng chất trong túi của Glover—những hạt màu trắng tinh khôi, mềm như đường bột—mới là quan trọng nhất ngày nay. Đó là thạch anh, nhưng không chỉ là thạch anh bình thường. Spruce Pine, hóa ra, là nguồn cung cấp thạch anh tự nhiên tinh khiết nhất—một loại cát tinh khiết—từng được tìm thấy trên trái đất. Khoáng sản siêu-ưu tú này của các hạt dioxit silic đã đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất silic được sử dụng để làm vi chip máy tính. Trên thực tế, có một cơ hội xuất sắc rằng vi chip làm cho laptop hoặc điện thoại di động của bạn hoạt động được chế tạo bằng cát từ vùng sâu ẩn của Appalachian này. “Đó là một ngành công nghiệp tỷ đô ở đây,” Glover nói với một tiếng cười vang. “Không thể nhận biết khi lái qua đây. Bạn sẽ không bao giờ biết.”

Trong thế kỷ 21, cát trở nên quan trọng hơn bao giờ hết, và theo nhiều cách hơn bao giờ hết. Đây là thời đại số, trong đó những công việc chúng ta làm, giải trí chúng ta giải trí và cách chúng ta giao tiếp với nhau ngày càng được định nghĩa bởi internet và máy tính, máy tính bảng và điện thoại di động kết nối chúng ta với nó. Tất cả điều này sẽ không thể có nếu không có cát.

Hầu hết các hạt cát trên thế giới được tạo thành từ thạch anh, một loại dioxit silic, còn được biết đến là silic. Các hạt dioxit silic có độ tinh khiết cao là nguyên liệu chính từ đó chúng ta sản xuất vi chip máy tính, cáp quang và các phần cứng công nghệ cao khác—những thành phần vật lý mà thế giới ảo chạy trên đó. Lượng thạch anh được sử dụng cho những sản phẩm này nhỏ bé so với những ngọn núi sử dụng cho bê tông hoặc san lấp đất. Nhưng ảnh hưởng của nó là không đo được.

Vùng giàu khoáng sản của Spruce Pine là kết quả của lịch sử địa chất độc đáo của khu vực này. Khoảng 380 triệu năm trước, khu vực này nằm về phía nam của xích đạo. Đĩa kiến tạo đẩy lục địa Phi châu về phía đông của Châu Mỹ, đẩy lớp vỏ dưới đáy biển—lớp đáy đại dương—nặng hơn dưới lục địa Bắc Mỹ nhẹ hơn. Ma sát của sự va chạm khổng lồ đó tạo ra nhiệt độ lên đến 2.000 độ Fahrenheit, làm nóng chảy đá nằm giữa 9 và 15 dặm dưới bề mặt. Áp suất lên đá nóng chảy đó đẩy một lượng lớn vào các khe và kẽ nứt của đá chủ xung quanh, nơi nó tạo thành các mỏ được biết đến với tên gọi là pegmatites.

Mất khoảng 100 triệu năm để đá nóng chảy sâu được làm lạnh và tinh thể hóa. Nhờ vào sâu độ nó được chôn cất và vì thiếu nước nơi mọi sự diễn ra, pegmatites hình thành gần như không có tạp chất. Nói chung, pegmatites chiếm khoảng 65 phần trăm feldspar, 25 phần trăm thạch anh, 8 phần trăm mica, và phần còn lại là các vết tinh tế của khoáng khác. Trong khi đó, trong khoảng 300 triệu năm, đĩa dưới dãy núi Appalachian dịch chuyển lên trên. Thời tiết xói mòn đá đã lộ ra, cho đến khi các hình thành cứng của pegmatites bị lại gần bề mặt.

Người bản xứ Mỹ đã khai thác mica bóng loáng và sử dụng nó để trang trí mộ và làm đồng tiền. Những người định cư Mỹ bắt đầu rải rác vào núi vào những năm 1800, kiếm sống như nông dân. Một số thám hiểm thử nghiệm tay nghề của họ trong ngành công nghiệp mica, nhưng bị cản trở bởi địa hình núi đứng. “Không có sông, không có đường, không có tàu. Họ phải chở hàng bằng ngựa,” David Biddix, một nhà sử học nghiệm tay có tóc rối, đã viết ba cuốn sách về Quận Mitchell, nơi Spruce Pine đặt chân.

Triển vọng của khu vực bắt đầu cải thiện vào năm 1903 khi công ty Đường sắt South and Western, trong quá trình xây dựng đường từ Kentucky đến Nam Carolina, đục một đường lên núi, một kỳ tích xoắn ốc vòng vòng cho 20 dặm để đi lên chỉ 1.000 feet. Khi động mạch này nối với thế giới bên ngoài cuối cùng được mở, khai thác bắt đầu tăng lên. Người địa phương và những người đào tạo hoang dã đào hàng trăm cái hầm và mỏ mở trên núi của những gì trở thành Quận Khai thác Mỏ Spruce Pine, một vùng đất rộng 25 dặm theo 10 dặm bao phủ ba quận.

Mica trước đây được đánh giá cao để làm cửa sổ bếp cháy củi và than củi, cũng như là vật liệu cách điện trong điện tử ống hút chân không. Hiện nay, nó chủ yếu được sử dụng làm phụ gia chuyên dụng trong mỹ phẩm và những thứ như mastic, chất kết dính và hợp chất nối bánh thạch cao. Trong Thế chiến thứ hai, nhu cầu về mica và feldspar, có sẵn rất nhiều trong pegmatites của khu vực, tăng vọt. Thịnh vượng đến với Spruce Pine. Thị trấn tăng gấp bốn lần kích thước vào thập kỷ 1940. Đỉnh điểm, Spruce Pine tự hào có ba rạp chiếu phim, hai sảnh bida, một đường lăn xổ sống và nhiều nhà hàng.

Cuối thập kỷ đó, Cơ quan quản lý Thung lũng Tennessee đã gửi một nhóm nhà khoa học đến Spruce Pine với nhiệm vụ phát triển thêm tài nguyên khoáng sản của khu vực. Họ tập trung vào những cái làm giàu tiền, mica và feldspar. Vấn đề là tách những khoáng sản đó ra khỏi những loại khác. Một miếng pegmatite tiêu biểu của Spruce Pine trông giống như một miếng kẹo cứng kỳ lạ nhưng quyến rũ: chủ yếu là feldspar màu trắng đục hoặc hồng, có mica bóng bẩy, đính kèm với thạch anh trong suốt hoặc khói, và rải rác ở đâu đó là những mảnh garnet màu đỏ sâu và các khoáng sản khác.

Trong nhiều năm, người địa phương chỉ cần đào lên pegmatites và nghiền chúng bằng dụng cụ tay hoặc máy móc thô sơ, tách ra feldspar và mica bằng tay. Thạch anh còn lại được coi là đồ vô dụng, tối thiểu là phù hợp để sử dụng như cát xây dựng, có thể là bị vứt đi với phần còn lại của đáy chảo.

Hợp tác với các nghiên cứu viên tại Phòng thí nghiệm Nguồn khoáng của Đại học North Carolina ở gần Asheville, các nhà khoa học của TVA đã phát triển một phương pháp tách khoáng nhanh chóng và hiệu quả hơn nhiều, gọi là flotat bọt. “Nó đã cách mạng hóa ngành công nghiệp,” Glover nói. “Nó khiến nó tiến triển từ một ngành công nghiệp cá thể của mẹ và con trai thành một ngành công nghiệp tập đoàn siêu lớn.”

Quy trình flotat bọt liên quan đến việc chạy đá qua máy nghiền cơ khí cho đến khi nó được phá vỡ thành một đống hỗn hợp các hạt khoáng. Bạn đổ hỗn hợp đó vào một bể, thêm nước để biến nó thành một dạng lỏng sữa và khuấy đều. Tiếp theo, thêm các chất hóa học kết hợp với các hạt mica và làm cho chúng thủy phobic, có nghĩa là chúng không muốn tiếp xúc với nước. Bây giờ đưa một cột bong bóng không khí qua dạng lỏng. Sợ hãi với nước xung quanh, các hạt mica sẽ nhanh chóng nắm bắt bong bóng không khí và được mang lên đỉnh bể, tạo thành một lớp bọt trên bề mặt nước. Bánh xe trộn lấy đi bọt và đẩy nó vào một bể khác, nơi nước được tháo ra. Voilà: mica.

Feldspar, thạch anh và sắt còn lại được thoát ra từ đáy bể và được dẫn qua một loạt các rãnh vào bể tiếp theo, nơi thực hiện một quy trình tương tự để nổi sắt ra khỏi. Lặp lại, nhiều hơn hay ít hơn, để loại bỏ feldspar.

Đó là feldspar, được sử dụng trong làm kính, là điều thu hút những kỹ sư từ công ty Corning Glass đến khu vực này. Lúc đó, những hạt thạch anh dư thừa vẫn được xem là sản phẩm phụ không mong muốn. Nhưng các kỹ sư của Corning, luôn tìm kiếm vật liệu chất lượng để đưa vào các nhà máy sản xuất kính, chú ý đến sự tinh khiết của thạch anh và bắt đầu mua nó, chở nó lên phía bắc bằng đường sắt đến cơ sở của Corning ở Ithaca, New York, nơi nó được chuyển đổi thành mọi thứ từ cửa sổ đến chai lọ.

Một trong những thành tựu lớn nhất của thạch anh Spruce Pine trong thế giới kính xảy ra vào những năm 1930, khi Corning giành được hợp đồng sản xuất gương cho chiếc kính viễn vọng lớn nhất thế giới, được đặt hàng bởi Tháp quan sát Palomar ở Nam California. Việc làm gương 200 inch, 20 tấn liên quan đến việc nấu chảy núi thạch anh trong một lò lớn được làm nóng lên đến 2.700 độ Fahrenheit, theo David O. Woodbury viết trong The Glass Giant of Palomar.

Khi lò lửa đủ nóng, “ba đội ngũ những người làm việc ngày đêm xung quanh đồng hồ bắt đầu nhồi cát và hóa chất qua một cửa ở một đầu. Thành phần nóng chảy rất chậm, chỉ có thể thêm vào 4 tấn mỗi ngày. Từng chút một, bể lửa lan rộ ra đáy lò và nổi dần lên thành một hồ incandescent dài 50 feet và rộng 15 feet.” Kính viễn vọng được lắp đặt trong đài quan sát vào năm 1947. Sức mạnh chưa từng có của nó dẫn đến những phát hiện quan trọng về thành phần của các ngôi sao và kích thước của vũ trụ chính nó. Nó vẫn còn sử dụng cho đến ngày nay.

Quan trọng như chiếc kính viễn vọng đó, thạch anh Spruce Pine sớm sẽ đảm nhận vai trò quan trọng hơn khi thời đại kỹ thuật số bắt đầu rạng sáng.

Vào giữa những năm 1950, hàng nghìn dặm từ Bắc Carolina, một nhóm kỹ sư ở California bắt đầu làm việc trên một phát minh sẽ trở thành nền tảng của ngành công nghiệp máy tính. William Shockley, một kỹ sư đầu tiên tại Bell Labs đã giúp phát minh ra bóng điện, đã rời đi để thành lập công ty riêng ở Mountain View, California, một thị trấn ngủ quên cách đó khoảng một giờ về phía nam San Francisco, gần nơi ông lớn lên. Đại học Stanford ở gần và General Electric và IBM có cơ sở ở khu vực này, cũng như một công ty mới mang tên Hewlett‑Packard. Nhưng khu vực được biết đến lúc đó là Thung lũng Santa Clara vẫn chủ yếu là vườn mơ, lê và mận. Sớm nó sẽ trở nên nổi tiếng hơn nhiều với biệt danh mới: Silicon Valley.

Lúc đó, thị trường bóng điện đang nóng lên nhanh chóng. Texas Instruments, Motorola và các công ty khác đều cạnh tranh để tạo ra bóng điện nhỏ hơn, hiệu quả hơn để sử dụng trong, giữa các sản phẩm khác, máy tính. Máy tính Mỹ đầu tiên, được đặt tên là ENIAC, đã được phát triển bởi quân đội trong Chiến tranh thế giới thứ hai; nó dài 100 feet và cao 10 feet, và chạy trên 18.000 ống bóng điện.

Bóng điện, là những công tắc điện tử nhỏ điều khiển dòng điện, cung cấp một cách thay thế cho những ống bóng đó và làm cho những chiếc máy mới này mạnh mẽ hơn trong khi giảm kích thước đáng kể. Bán dẫn—một lớp nhỏ các nguyên tố, bao gồm germani và silic, có khả năng dẫn điện ở một số nhiệt độ nhất định trong khi chặn nó ở những nhiệt độ khác—trông như là những vật liệu tiềm năng cho việc làm các bóng điện đó.

Tại công ty khởi nghiệp của Shockley, một đám trẻ tuổi với bằng Tiến sĩ bắt đầu mỗi buổi sáng bằng cách bật nhiệt độ lò lên hàng nghìn độ và làm chảy germani và silic. Tom Wolfe mô tả cảnh tượng đó trong tạp chí Esquire: “Họ mặc áo choàng thí nghiệm trắng, kính bảo hộ, và găng tay làm việc. Khi họ mở cửa lò, những tia sáng màu cam và trắng kỳ lạ đi qua khuôn mặt của họ... họ hạ một cột cơ khí nhỏ xuống vào chất nhầy để tạo ra các tinh thể ở đáy cột, rồi họ rút tinh thể ra và cố gắng nắm bắt nó bằng kềm, và đặt nó dưới kính hiển vi và cắt nó bằng dao cắt kim cương, trong số các thứ khác, thành các lớp mỏng, wafer, chip; không có tên trong ngành điện tử cho những hình dạng nhỏ này.”

Shockley tin rằng silic là vật liệu tiềm năng hơn và chuyển sự tập trung của mình theo hướng đó. “Vì ông đã có công ty nghiên cứu và sản xuất bán dẫn đầu tiên và nổi tiếng nhất, tất cả những người đã làm việc với germani đều dừng lại và chuyển sang silic,” Joel Shurkin viết trong cuốn tiểu sử của mình về Shockley, Broken Genius. “Thực sự, nếu không có quyết định của ông, chúng ta sẽ nói về Thung lũng Germanium.”

Shockley là một thiên tài, nhưng theo mọi báo cáo, ông cũng là một ông chủ tồi tệ. Trong vòng vài năm, một số kỹ sư tài năng nhất của ông đã rời bỏ để bắt đầu công ty riêng của họ, mà họ đặt tên là Fairchild Semiconductor. Một trong số họ là Robert Noyce, một kỹ sư thoải mái nhưng tài năng, chỉ mới 20 vài tuổi nhưng đã nổi tiếng với sự thành thạo của mình với bóng điện.

Bước đột phá đến vào năm 1959, khi Noyce và đồng nghiệp của ông tìm ra cách để đặt nhiều bóng điện lên một mảnh silic có kích thước nhỏ như một lá móng tay và chất lượng cao. Gần cùng một thời điểm, Texas Instruments phát triển một thiết bị tương tự được làm từ germani. Tuy nhiên, của Noyce làm việc hiệu quả hơn, và nó sớm chiếm ưu thế trên thị trường. NASA đã chọn vi xử lý của Fairchild để sử dụng trong chương trình vũ trụ, và doanh số bán hàng sớm tăng từ gần như không có gì lên đến 130 triệu đô la mỗi năm. Năm 1968, Noyce rời khỏi và thành lập công ty của mình. Ông đặt tên là Intel, và nó sớm chiếm ưu thế trong ngành công nghiệp chưa phát triển của vi xử lý máy tính có thể lập trình được.

Chip thương mại đầu tiên của Intel, phát hành vào năm 1971, chứa 2.250 bóng điện. Vi xử lý máy tính hiện nay thường đầy bóng điện số lên đến hàng tỷ. Những hình vuông và hình chữ nhật điện tử nhỏ bé đó là bộ óc điều khiển máy tính, Internet và toàn bộ thế giới kỹ thuật số. Google, Amazon, Apple, Microsoft, các hệ thống máy tính làm nền tảng cho công việc từ Bộ Quốc phòng đến ngân hàng địa phương của bạn—tất cả đều dựa trên cát, được làm mới thành chip silic.

Việc sản xuất những viên chip đó là quy trình vô cùng phức tạp. Chúng yêu cầu silic tinh khiết. Điều tini nhất có thể làm cho hệ thống nhỏ bé của chúng điên đảo.

Tìm thấy silic thì dễ dàng. Nó là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trên Trái Đất. Nó xuất hiện gần như ở mọi nơi liên kết với oxy để tạo thành SiO2, hay còn gọi là thạch anh. Vấn đề là nó không bao giờ xuất hiện tự nhiên dưới dạng tinh khiết, nguyên tố. Việc tách silic ra cần phải làm một cách cẩn thận.

Bước đầu tiên là lấy cát silica tinh khiết cao, loại được sử dụng để làm kính. (Thạch anh cục cũng đôi khi được sử dụng.) Sau đó, thạch anh đó được đẩy vào một lò điện mạnh, tạo ra một phản ứng hóa học tách ra một phần lớn oxy. Điều đó để lại cho bạn những gì được gọi là kim loại silic, có khoảng 99 phần trăm silic tinh khiết. Nhưng điều đó chưa đủ tốt cho các ứng dụng công nghệ cao. Silic cho các tấm pin mặt trời phải là 99,999999 phần trăm tinh khiết - sáu chữ số 9 sau dấu thập phân. Chip máy tính đòi hỏi nguyên tố này phải là 99,99999999999 phần trăm tinh khiết - mười một chữ số 9. “Chúng ta đang nói về một nguyên tử cô đơn của một thứ gì đó không phải là silic giữa hàng tỷ đồng minh silic,” nhà địa chất Michael Welland viết trong Sand: Câu chuyện không bao giờ kết thúc.

Để đạt được điều này, cần phải xử lý kim loại silic bằng một loạt các quy trình hóa học phức tạp. Vòng đầu tiên này biến kim loại silic thành hai hợp chất. Một là silic tetrachloride, là thành phần chính được sử dụng để làm lõi kính của sợi quang. Cái kia là trichlorosilane, được xử lý thêm để trở thành polysilicon, một dạng silic rất tinh khiết sẽ trở thành thành phần chính trong các tế bào năng lượng mặt trời và chip máy tính.

Mỗi bước này có thể được thực hiện bởi nhiều công ty, và giá của vật liệu tăng mạnh ở mỗi bước. Kim loại silic tinh khiết 99 phần trăm đầu tiên có giá khoảng 1 đô la mỗi pound; polysilicon có thể có giá lên đến 10 lần.

Bước tiếp theo là làm tan polysilicon. Nhưng bạn không thể chỉ đơn giản là ném vật liệu tinh khiết này vào một nồi nấu. Nếu silic nóng chảy tiếp xúc với thậm chí một lượng nhỏ nhất của chất sai, nó sẽ gây ra một phản ứng hóa học phá hủy. Bạn cần có lọ nung được làm từ một chất duy nhất có sức mạnh chịu được nhiệt độ cần thiết để nung polysilicon và có thành phần phân tử không làm nhiễm bệnh nó. Chất đó là thạch anh tinh khiết.

Đây chính là nơi thạch anh Spruce Pine đến. Đó là nguồn cung chính thế giới của nguyên liệu cần thiết để tạo ra các lọ thạch anh nung trong đó polysilicon chất lượng chip máy tính được nung chảy. Một đám cháy vào năm 2008 tại một trong những cơ sở chế biến thạch anh chính ở Spruce Pine trong một thời gian gần như làm cạn kiệt nguồn cung thạch anh tinh khiết đến thị trường thế giới, gửi lạnh làm rung chuyển ngành công nghiệp.

Hiện nay, một công ty chiếm ưu thế trong sản xuất thạch anh Spruce Pine. Unimin, một doanh nghiệp thành lập vào năm 1970, dần dần đã mua lại các mỏ ở khu vực Spruce Pine và mua lại đối thủ, cho đến ngày nay, hoạt động thạch anh của công ty tại Bắc Carolina cung cấp phần lớn thạch anh tinh khiết cao và cực kỳ tinh khiết của thế giới. (Chính Unimin hiện nay là một phần của một tập đoàn khai thác mỏ người Bỉ, Sibelco.)

Trong những năm gần đây, một công ty khác, với tên gọi sáng tạo Quartz Corp, đã có được một phần nhỏ thị trường Spruce Pine. Có rất ít nơi khác trên thế giới sản xuất thạch anh tinh khiết cao, và nhiều nơi khác nơi các công ty đang tìm kiếm chăm chỉ hơn. Nhưng Unimin kiểm soát phần lớn thương mại.

Thạch anh cho những lọ, giống như silic mà chúng sẽ sản xuất, cần phải gần như tuyệt đối tinh khiết, được tẩy sạch một cách thấu đáo khỏi các nguyên tố khác. Thạch anh Spruce Pine ban đầu đã rất tinh khiết và càng tinh khiết sau một số vòng froth flotation. Nhưng một số hạt vẫn có thể có những gì Glover gọi là ô nhiễm tinh thể trung bình - các phân tử của các khoáng sản khác đính kèm vào phân tử thạch anh.

Điều này là điều khá phổ biến làm nản lòng. “Tôi đã đánh giá hàng nghìn mẫu thạch anh từ khắp nơi trên thế giới,” nói John Schlanz, kỹ sư chế biến khoáng sản chính tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu khoáng sản ở Asheville, cách Spruce Pine khoảng một giờ. “Gần như tất cả chúng đều có ô nhiễm bị kẹt trong hạt thạch anh mà bạn không thể loại bỏ được.”

Một số thạch anh Spruce Pine có khuyết điểm theo cách này. Những hạt này được sử dụng cho cát bãi biển cao cấp và bunkers sân golf - nổi tiếng nhất là các trạm traps màu muối của Augusta National Golf Club, nơi diễn ra giải đấu nổi tiếng Masters Tournament. Một sân golf ở Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất đã nhập khẩu 4.000 tấn cát này vào năm 2008 để đảm bảo rằng các traps cát của họ cũng là hàng đẳng cấp thế giới.

Thạch anh Spruce Pine tốt nhất có cấu trúc tinh thể mở, có nghĩa là axit hydrofluoric có thể được tiêm trực tiếp vào phân tử tinh thể để hòa tan bất kỳ dấu vết nào còn lại của feldspar hoặc sắt, làm tăng độ tinh khiết thêm một bậc. Kỹ thuật viên đưa nó một bước xa hơn bằng cách phản ứng thạch anh với clo hoặc axit hydrocloric ở nhiệt độ cao, sau đó đưa nó qua một hoặc hai bước xử lý vật lý và hóa học nữa mang tính bí mật thương mại.

Kết quả là cái mà Unimin quảng bá là thạch anh Iota, tiêu chuẩn ngành công nghiệp về độ tinh khiết. Thạch anh Iota cơ bản có độ tinh khiết 99,998% SiO2. Nó được sử dụng để tạo ra các sản phẩm như đèn halogen và tế bào quang điện, nhưng không đủ tốt để tạo ra những lọ đóng vai trò làm chảy polysilicon. Đối với điều đó, bạn cần Iota 6, hoặc đỉnh cao của dòng, Iota 8, với độ tinh khiết lên đến 99,9992% - có nghĩa là đối với mỗi tỷ phân tử SiO , chỉ có 80 phân tử của tạp chất. Iota 8 được bán với giá lên đến 10.000 đô la mỗi tấn. Cát xây dựng thông thường, ở đầu kia của thang cát, có giá chỉ vài đô la mỗi tấn.

Tại nhà mình, Glover cho tôi xem một số thạch anh Iota dưới kính hiển vi. Nhìn qua ống kính của thiết bị (chính nó được làm từ cát thạch anh ít tinh khiết hơn nhiều), những mảnh vụn nhỏ góc cạnh rõ ràng như kính và sáng như kim cương.

Unimin bán cát thạch anh siêu tinh khiết này cho các công ty như General Electric, nơi chúng được làm tan, quay và nung chảy thành cái giống như bát salad được làm từ kính mờ: cái chảo. “Có thể nói rằng đa số lớn những cái chảo đó được làm từ thạch anh Spruce Pine,” Schlanz nói.

Polysilicon được đặt trong những cái chảo thạch anh đó, nung chảy và quay. Sau đó, một hạt tinh thể silicon khoảng cỡ một cây bút được hạ xuống, quay theo hướng ngược lại. Hạt tinh thể được rút ra chậm rãi, kéo theo sau đó là một tinh thể silicon khổng lồ duy nhất. Những viên tinh thể sáng bóng, mặt đen, nặng khoảng 220 pound, được gọi là lingots.

Các lingots được cắt thành các lớp mỏng. Một số được bán cho những nhà sản xuất tế bào năng lượng mặt trời. Các lingots có độ tinh khiết cao được đánh bóng đến độ nhẵn gương và bán cho một nhà sản xuất vi xử lý như Intel. Đó là một ngành công nghiệp phồn thịnh có giá hàng tỷ đô la vào năm 2012.

Nhà sản xuất chip in các mẫu transistor trên wafer bằng một quá trình gọi là photolithography. Đồng được cấy vào để kết nối tỷ tỷ transistor đó để tạo ra vi mạch tích hợp. Ngay cả một hạt bụi nhỏ cũng có thể làm hỏng mạch phức tạp của chip, vì vậy tất cả mọi thứ xảy ra trong điều kiện được gọi là phòng sạch, nơi bộ lọc giữ cho không khí sạch hơn hàng nghìn lần so với phòng phẫu thuật bệnh viện. Các kỹ thuật viên mặc bộ đồ trắng che phủ gọi là áo thỏ thân thiết. Để đảm bảo wafer không bị ô nhiễm trong quá trình sản xuất, nhiều công cụ được sử dụng để di chuyển và thao tác chúng giống như những cái chảo, được làm từ thạch anh có độ tinh khiết cao.

Sau đó, wafer được cắt thành những viên chip vuông nhỏ, đến mức mỏng không thể tin được - chip máy tính, bộ não bên trong điện thoại di động hoặc laptop của bạn. Toàn bộ quá trình đòi hỏi hàng trăm bước chính xác, được kiểm soát cẩn thận. Vi xử lý kết quả là một trong những đối tượng được tạo ra phức tạp nhất do con người tạo ra, nhưng lại được làm từ chất phổ biến nhất trên Trái đất: cát bình dân.

Tổng lượng thạch anh siêu tinh khiết được sản xuất trên toàn thế giới mỗi năm được ước tính là 30.000 tấn - ít hơn so với lượng cát xây dựng sản xuất ở Hoa Kỳ mỗi giờ. (Và ngay cả cát xây dựng cũng được đòi hỏi cao; có một thị trường đen phồn thịnh trong nó.) Chỉ có Unimin biết chính xác bao nhiêu thạch anh Spruce Pine được sản xuất, vì nó không công bố bất kỳ con số sản xuất nào. Đó là một tổ chức nổi tiếng với sự bí mật. “Spruce Pine trước đây là các hoạt động làm mẹ và cha,” Schlanz nói. “Khi tôi đầu tiên làm việc ở đó, bạn có thể chỉ cần bước vào bất kỳ hoạt động nào. Bạn có thể đi sang đường và mượn một chiếc thiết bị.”

Ngày nay, Unimin thậm chí không cho phép nhân viên của phòng thí nghiệm nghiên cứu khoáng sản vào trong mỏ hay cơ sở chế biến. Các nhà thầu được mang vào để làm công việc sửa chữa phải ký các thỏa thuận giữ bí mật. Theo tuyên bố gần đây của Phó chủ tịch Richard Zielke trong tài liệu tòa án, công ty chia công việc giữa các nhà thầu khác nhau mỗi khi có thể để không ai cá nhân có thể biết quá nhiều.

Unimin mua thiết bị và bộ phận từ nhiều nhà cung cấp vì cùng một lý do. Glover đã nghe nói về việc các nhà thầu bị bịt mắt bên trong nhà máy chế biến cho đến khi họ đến khu vực cụ thể nơi công việc của họ làm và về một nhân viên đã bị sa thải ngay tại chỗ vì mang theo ai đó mà không có sự cho phép. Anh nói rằng công ty thậm chí không cho phép nhân viên của mình giao tiếp xã hội với đối thủ cạnh tranh.

Kiểm tra câu chuyện của Glover là khó khăn, vì Unimin không chịu nói chuyện với tôi. Khác với hầu hết các tập đoàn lớn, trang web của nó không liệt kê liên hệ của một người phát ngôn hoặc đại diện quan hệ công chúng. Một số email đến địa chỉ yêu cầu thông tin tổng quát của họ không có câu trả lời. Khi tôi gọi điện đến trụ sở công ty ở Connecticut, người phụ nữ trả lời điện thoại dường như lạc quan với khái niệm của một nhà báo muốn đặt câu hỏi.

Cô giữ tôi trên đường nhiều phút, sau đó quay lại để nói với tôi rằng công ty không có bộ phận quan hệ công chúng, nhưng nếu tôi fax (fax!) câu hỏi của mình, có thể sẽ có người trả lời lại. Cuối cùng, tôi đã liên lạc được với một giám đốc Unimin yêu cầu tôi gửi câu hỏi qua email. Tôi đã làm như vậy. Phản hồi: “Thật không may, chúng tôi không ở trong tình thế để cung cấp câu trả lời vào thời điểm này.”

Vậy nên tôi đã thử phương pháp trực tiếp. Giống như tất cả các cơ sở khai thác và chế biến thạch anh trong khu vực, Nhà máy Quartz Schoolhouse của Unimin, nằm trong một thung lũng giữa những đồi cây dày, bao quanh bởi hàng rào dây thép trên đỉnh. An ninh không chắc chắn là ở mức của Fort Knox, nhưng thông điệp là rõ ràng.

Một buổi sáng thứ bảy, tôi đến để xem xét nhà máy cùng với David Biddix. Chúng tôi đỗ xe ngang đường từ cổng. Một biển cảnh báo cho biết khu vực này đang được giám sát bằng video, và không cả súng lẫn thuốc lá được phép vào bên trong. Ngay khi tôi nhảy ra để chụp một số bức ảnh, một phụ nữ trung niên trong bộ đồ bảo vệ xuất hiện từ ngóc cổng. “Bạn đang làm gì vậy?” cô ta hỏi như chuyện phiếm. Tôi mỉm cười thân thiện và nói cho cô biết tôi là một nhà báo đang viết một cuốn sách về cát, bao gồm cả về tầm quan trọng của cát thạch anh trong cơ sở này. Cô ta nhìn nhận điều đó một cách hoài nghi và yêu cầu tôi gọi điện cho văn phòng địa phương của Unimin vào thứ Hai tới để xin phép.

“Chắc chắn, tôi sẽ làm vậy,” tôi nói. “Tôi chỉ muốn xem xét, miễn là tôi đang ở đây.” “Vậy, làm ơn đừng chụp ảnh,” cô ấy nói. Không có gì để xem—một số đống cát trắng, một đám bể kim loại, một tòa nhà gạch đỏ gần cổng—nên tôi đồng ý. Cô ấy đi về bên trong. Tôi gói máy ảnh lại và lấy sổ tay của mình ra. Điều đó đưa cô ấy quay lại ngay lập tức.

“Bạn không trông giống như một kẻ khủng bố”—cô ta cười biện bạch—“nhưng ngày nay bạn không bao giờ biết được. Tôi đang yêu cầu bạn rời khỏi trước khi tôi trở nên cáu kỉnh.”

“Tôi hiểu,” tôi nói. “Tôi chỉ muốn ghi chú một vài điều. Và dù sao, đây là một con đường công cộng. Tôi có quyền ở đây.”

Điều đó thực sự làm cô ấy không hài lòng. “Tôi đang làm công việc của mình,” cô ta cắt giữa. “Và tôi cũng đang làm công việc của mình,” tôi trả lời.

“Được, tôi cũng đang ghi chú,” cô ấy tuyên bố. “Và nếu có bất cứ điều gì xảy ra…” Rời đi mà không nêu rõ hậu quả, cô ta bước đi đến chiếc xe thuê của tôi và một cách quyết định viết xuống số biển số xe, sau đó hỏi tên của “người bạn” ở ghế ngồi phụ. Tôi không muốn làm phiền Biddix, nên tôi lịch sự từ chối, nhảy vào xe và lái xe đi.

Nếu bạn thực sự muốn cảm nhận được cách Unimin gìn giữ bí mật thương mại của mình một cách mạnh mẽ, hãy hỏi Tom Gallo. Anh ta từng làm việc cho công ty, và sau đó trong nhiều năm, cuộc sống của anh ta đã bị hủy hoại bởi nó.

Gallo là một người nhỏ bé, gầy gò, ở độ tuổi 50, nguyên quán từ New Jersey. Anh ta chuyển đến Bắc Carolina khi được Unimin thuê vào năm 1997. Ngày đầu tiên làm việc, anh ta nhận được một thỏa thuận giữ bí mật; anh ta ngạc nhiên về sự hạn chế của nó và không nghĩ rằng đó là công bằng. Nhưng đây là, ở Spruce Pine, với tất cả tài sản của anh ta trong một chiếc xe tải chuyển đến, cuộc sống của anh ta ở New Jersey đã để lại sau lưng. Vì vậy, anh ta đã ký nó.

Gallo đã làm việc cho Unimin tại Spruce Pine trong 12 năm. Khi anh ấy rời đi, anh ấy ký một thỏa thuận không cạnh tranh, cấm anh ấy làm việc cho bất kỳ đối thủ nào của công ty trong lĩnh vực cát tinh khiết cao suốt năm năm. Anh ấy và vợ chuyển đến Asheville và mở một doanh nghiệp pizza nghệ thuật, mà họ đặt tên là Gallolea—tên họ plus của một người bạn đã khuyến khích anh ấy.

Điều đó là một điều khó khăn. Doanh nghiệp pizza không bao giờ là một nguồn thu nhập lớn, và nó nhanh chóng bị một vụ kiện về tên từ E. & J. Gallo Winery. Gallo chi tiêu hàng ngàn đô la để chiến đấu vụ kiện—cuối cùng, đó là tên của anh ấy—nhưng cuối cùng anh ấy quyết định sáng suốt là từ bỏ và đổi tên công ty. Khi kỳ hạn không cạnh tranh năm năm đã hết, nên khi một công ty cát nhỏ khởi nghiệp, I-Minerals, gọi điện đề nghị Gallo một công việc tư vấn, anh ấy đã chấp nhận một cách vui vẻ. I-Minerals phát đi một thông cáo báo chí khoe về việc tuyển dụng và quảng bá chuyên môn của Gallo.

Điều đó lại là một sai lầm lớn. Ngay lập tức, Unimin kiện Gallo và I-Minerals, cáo buộc họ đang cố gắng đánh cắp bí mật của Unimin. “Không có cuộc gọi, không có lệnh dừng—không có cuộc điều tra,” Gallo nói. “Họ đã đệ đơn kiện 150 trang chống lại tôi dựa trên một thông cáo báo chí.”

Trong vài năm tiếp theo, Gallo chi tiêu hàng chục nghìn đô la để chiến đấu vụ kiện. “Đó là cách mà các tập đoàn tỷ đô làm kinh hoàng người,” anh ta nói. “Tôi phải rút tiền từ tài khoản hưu trí 401(k) của mình để bảo vệ bản thân khỏi vụ kiện hoàn toàn vô căn cứ này. Chúng tôi sợ rằng chúng tôi sẽ mất nhà của mình. Đó là điều kinh hoàng. Bạn không thể tưởng tượng được bao nhiêu đêm chúng tôi đã thức trắng.” Doanh nghiệp pizza của anh ta sụp đổ. “Khi Unimin kiện, chúng tôi vừa vượt qua vụ kiện về tên Gallo. Đó là cái búa làm gãy lưng nghệ sĩ. Chúng tôi đã làm việc trên nó suốt năm năm. Đó là nhiều hơn chúng tôi có thể xử lý về mặt tâm lý, tâm lý và tài chính.”

Cuối cùng, Unimin đã thua kiện, kháng cáo lên tòa liên bang và cuối cùng là từ bỏ nó. I-Minerals và Gallo đã kiện lại riêng Unimin, gọi nó là một lạm dụng của quy trình tư pháp nhằm quấy rối một đối thủ tiềm năng. Cuối cùng, Unimin đã đồng ý trả một khoản tiền không được tiết lộ để rút lui các vụ kiện. Dưới điều kiện của thoả thuận, Gallo không thể tiết lộ chi tiết, nhưng anh ta nói một cách đắng cay, “Khi bạn bị kiện bởi một tập đoàn lớn, bạn thất bại dù có gì.”

Đối với tất cả những tài sản màu mỡ mọc từ lòng đất ở khu vực Spruce Pine, không nhiều thứ ở lại đó. Ngày nay, các mỏ đều thuộc sở hữu của các tập đoàn nước ngoài. Chúng được tự động hóa cao, nên họ không cần nhiều công nhân. “Bây giờ có lẽ có 25 hoặc 30 người trong một ca, thay vì 300,” Biddix nói. Các công việc khác trong khu vực đang biến mất. “Khi tôi còn bé, chúng tôi có bảy nhà máy nội thất ở đây,” anh nói. “Chúng tôi có các nhà máy dệt làm quần jean và tất nilon. Chúng đã mất hết.”

Thu nhập trung bình của hộ gia đình ở quận Mitchell, nơi Spruce Pine đặt trụ sở, chỉ hơn 37.000 đô la, rất thấp so với mức trung bình quốc gia là 51.579 đô la. Hai mươi phần trăm trong số 15.000 người ở quận, hầu hết là người da trắng, sống dưới đường nghèo. Dưới một trong bảy người trưởng thành mới có bằng đại học.

Mọi người tìm cách sống qua ngày. Glover có một kinh doanh phụ trồng cây thông Noel trên đất của mình. Biddix kiếm sống bằng cách vận hành trang web của một trường cao đẳng cộng đồng gần đó.

Một trong số ít nguồn việc làm mới là một số trung tâm xử lý dữ liệu lớn đã mở ra trong khu vực. Bị hấp dẫn bởi đất rẻ, Google, Apple, Microsoft và các công ty công nghệ khác đã mở ra các trang trại máy chủ trong vòng một giờ lái xe từ Spruce Pine.

Một phần, tinh thần quartz của Spruce Pine đã quay đầu trở lại. “Khi bạn nói chuyện với Siri, bạn đang nói chuyện với một tòa nhà ở trung tâm Apple ở đây,” Biddix nói.

Tôi lấy iPhone của mình và hỏi Siri liệu cô ấy có biết não silicon của mình đến từ đâu.

“Ai, tôi à?” cô ấy trả lời lần đầu tiên. Tôi thử lại.

“Tôi chưa bao giờ nghĩ về điều đó,” cô ấy nói.

Từ THE WORLD IN A GRAIN bởi Vince Beiser. Được xuất bản theo thỏa thuận với Riverhead Books, một nhánh của Penguin Publishing Group, một phần của Penguin Random House LLC. Bản quyền © 2018 bởi Vince Beiser.

Những bài viết tuyệt vời khác từ MYTOUR

• Cuộc sống kỳ lạ của một kẻ giết người trở thành blogger tội phạm
• Làm thế nào để chọn một chiếc ốp điện thoại hoàn hảo
• Phiêu lưu ngoại ô của chiếc xe đậu
• ESSAY ẢNH: Một Trung Quốc đang thay đổi nhanh chóng
• Sự giáo dục chính trị của Silicon Valley
• Khao khát thêm nhiều cuộc điều tra sâu sắc hơn về chủ đề yêu thích của bạn tiếp theo? Đăng ký bản tin Backchannel