Wywiad z Jocelyn Bell Burnell /Interview with Jocelyn Bell Burnell

Jan Czochralski (1885–1953) – fascynujący świat metali

 

To będzie rozdział o metalach, o pociągach i łożyskach. I monokryształach, niezbędnych w elektronice. I o człowieku – wielkim polskim naukowcu, który do dzisiaj pozostaje najczęściej cytowanym polskim uczonym w międzynarodowych publikacjach naukowych i o którym my, współcześni Polacy, wiemy zawstydzająco mało.

Kilka słów wstępu, czyli po co nam metale

Niezwykle trudno przecenić znaczenie metali oraz ich stopów dla postępu technicznego i życia codziennego. Większość pierwiastków w układzie okresowym to właśnie metale. Wśród ich najpowszechniejszych właściwości należy wymienić charakterystyczny połysk, ciągliwość i kowalność, a także dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne (w tym ostatnim przodują miedź, srebro i aluminium). Tutaj mała dygresja, skoro wspomniałam o aluminium: prawidłową polską nazwą czystego pierwiastka jest glin, aluminium to określenie używane w technice i odnosi się do stopów glinu z innymi metalami. Z powodu swoich bardzo dobrych własności mechanicznych – wytrzymałości na działanie rozmaitych obciążeń – metale są, i pewnie jeszcze długo będą, powszechnie wykorzystywane do produkcji niezliczonych rodzajów maszyn, urządzeń, elementów konstrukcyjnych i elektronicznych.

Znakomita większość metali występuje w przyrodzie w postaci związków chemicznych: tlenków, węglanów, wodorotlenków, siarczków. Minerały, z których otrzymuje się metale w ich czystej postaci, to rudy. Nad technikami obróbki rud metali ludzie głowili się już ładnych kilka tysiącleci p.n.e., i to z niezłym skutkiem – w epoce brązu, która nastąpiła po epoce kamienia, na niektórych terenach, np. w obszarze Morza Egejskiego, umiejętność obróbki metali ludzie opanowali w III tysiącleciu p.n.e. Już wówczas metale, takie jak miedź, cyna, ołów, złoto czy srebro, służyły im do wyrobu przeróżnych przyrządów: naczyń, dłut, młotów, noży oraz ozdób. Surowcem powszechnie stosowanym mniej więcej do I tysiąclecia p.n.e. był brąz – stop miedzi z cyną. Po epoce brązu nastała epoka żelaza – metalu, który bezsprzecznie odegrał najważniejszą rolę w rozwoju współczesnej cywilizacji.

Jeśli chcielibyśmy sobie wykuć jakieś zgrabne narzędzie żelazne, to przy odrobinie szczęścia moglibyśmy zdobyć potrzebny surowiec bez wieloetapowego i pracochłonnego procesu wydobycia odpowiedniej ilości rudy, a następnie wypalania jej w ogromnych piecach hutniczych, by pozyskać czysty metal. Wystarczyłoby znaleźć sobie żelazny meteoryt, kawałek meteoroidu lub planetoidy, które w kosmosie zderzyły się z innym ciałem niebieskim, uległy fragmentacji i w kawałkach zdołały dotrzeć na Ziemię. Zazwyczaj jednak musimy polegać na rudach oraz ich dość skomplikowanej obróbce. Do wyboru mamy co najmniej kilka minerałów, m.in. hematyt, magnetyt, limonit oraz syderyt. W hucie ruda żelaza jest wypalana wraz z węglem w ogromnym piecu. Minerały, które stanowią zanieczyszczenia rudy – takie jak kwarc czy dolomit – po stopieniu oddzielają się od niej i są usuwane z pieca w postaci szklistej masy zwanej żużlem. Pod koniec tego procesu ruda przekształca się w surówkę hutniczą – stop żelaza z węglem, krzemem, manganem, fosforem i siarką – która po ponownym przetopieniu przerabiana jest na żeliwo i stal. To pierwsze charakteryzuje się dużą zawartością węgla i jest najtańszym wytwarzanym współcześnie metalem żelaznym. Zajrzyjcie do swoich szafek w kuchni – sądzę, że większość z nas ma w kuchni przynajmniej jeden żeliwny garnek lub patelnię.

Aby otrzymać najbardziej pożądany rodzaj materiału żelaznego, czyli stal, musimy usunąć z surówki jak największą ilość węgla oraz innych, wspomnianych powyżej domieszek. Stal to zatem stop żelaza z węglem, przy czym tego drugiego są w niej śladowe ilości – maksymalnie 2,1 procenta. Śladowe, ale niezwykle ważne – żelazo w czystej postaci jest miękkie i plastyczne, a to sprawia, że nie nadaje się do produkcji przedmiotów. Co innego mieszanka żelaza z węglem – ta, w zależności od proporcji poszczególnych składników, może osiągać nawet 1000 razy większą twardość niż czyste żelazo. To nie koniec opowieści o stali i jej właściwościach – domieszka wanadu lub molibdenu czyni stal lżejszą i zarazem wytrzymalszą; chrom to dodatek, dzięki któremu zwiększymy odporność stali na rdzewienie, a niewielka ilość manganu podniesie jej sprężystość i wytrzymałość.

Mam cichą nadzieję, że przynajmniej niektórym z was metale po tym wstępie wydały się choć odrobinę interesujące. Mnie temat zafascynował za sprawą bohatera dzisiejszego wpisu. Jan Czochralski był chemikiem oraz metaloznawcą, i to jakim! Od wczesnej młodości lubił mieszać – najpierw przeróżne składniki medykamentów w aptece, a potem rozmaite metale. Wymyślony przez niego stop do produkcji łożysk kolejowych przyniósł mu ogromny majątek i sławę, a innowacyjna metoda pomiaru krystalizacji metali ma dzisiaj fundamentalne znaczenie dla elektroniki. Czas wreszcie bliżej go poznać.

Piekielnie zdolny buntownik

Urodził się w miasteczku Kcynia, leżącym między Poznaniem a Bydgoszczą. W szkole dość często kłócił się z nauczycielami, bo uważał, że wystawiają mu zaniżone oceny. To przekonanie towarzyszyło mu zresztą do samego końca szkoły średniej, a w dniu rozdania świadectw maturalnych ponoć swój egzemplarz podarł. W wieku 19 lat przebojowy młodzieniec opuścił rodzinne miasteczko i obiecał sobie, że powróci tam dopiero wtedy, kiedy stanie się sławny.

Wyjechał do Berlina, gdzie najpierw przez dwa lata pracował jako aptekarz, a następnie zatrudnił się w fabryce kabli. Swój czas dzielił między pracę a uczęszczanie na wykłady z chemii na politechnice w Charlottenburgu jako wolny słuchacz. W 1910 roku, według niektórych źródeł, uzyskał na tej uczelni dyplom inżyniera chemika, a już sześć lat później dokonał swojego najsłynniejszego odkrycia – metody pomiaru szybkości krystalizacji metali, nazwanej jego imieniem. Według popularnej anegdoty doszło do tego pewnego wieczora, kiedy pochłonięty pracą Czochralski przez roztargnienie zamiast w kałamarzu zamoczył swoje pióro w tygielku z roztopioną cyną. Kiedy wyjął z niego stalówkę, wyciągnął za nią cieniutką metaliczną nić. I ten niepozorny cynowy drucik, który wielu innych ludzi zapewne by zignorowało, przykuł jego uwagę. Jako były aptekarz i wytrawny chemik najpewniej dostrzegł w tej sytuacji ciekawą analogię z pomiarem czystości błyszczącej, tłuściutkiej wazeliny, powszechnego w tamtych czasach składnika leków. Dobrą wazelinę od kiepskiej wprawni farmaceuci odróżniali po tym, że tę dobrą można było „wyciągać w nitki”. Swoją cynową nitkę, a potem także druciki innych stopów, młody Czochralski bardzo wnikliwie badał (m.in. przy użyciu promieni rentgenowskich) i dostrzegł, że mają one szczególne właściwości – są monokryształami, co oznacza, że atomy metalu, które je budują, są ułożone według ściśle określonego porządku w całej objętości. W swojej pracy na ten temat opisał metodę produkcji monokryształów przez wyciąganie, do dzisiaj zwaną metodą Czochralskiego. Od 1948 roku zaczęto ją stosować do uzyskiwania monokryształów półprzewodników, najpierw germanu, a potem krzemu, który w tej ultraczystej formie służy do produkcji tranzystorów.

To jeszcze nie koniec!

W 1917 roku Czochralski przeniósł się do Frankfurtu nad Menem, a tam jako kierownik laboratorium metaloznawczego kontynuował twórczą pracę badawczą nad metalami. Wraz z zespołem szukał nowych stopów do produkcji łożysk ślizgowych – nałożone na Niemcy tuż po I wojnie światowej embargo obejmowało m.in. cynę, trzeba było zatem znaleźć materiał niezawierający tego metalu. Spod rąk Czochralskiego wyszedł bezcynowy stop łożyskowy, zwany metalem B, opatentowany w 1924 roku. Metal B, w którym niedostępną cynę zastąpiono ołowiem, był materiałem tak innowacyjnym, że patenty na jego produkcję wykupiły linie kolejowe nie tylko z Niemiec, lecz także z innych państw, takich jak USA, Francja, Anglia czy ZSRR. I tutaj kolejna mała dygresja, bo pewnie jesteście bardzo ciekawi, dlaczego właściwie ten stop był taki innowacyjny. Biograf Jana Czochralskiego Paweł Tomaszewski ilustruje odkrywczość jego wynalazku smakowitym porównaniem do czekolady z orzechami. Stop bowiem z jednej strony musiał być miękki, by dobrze smarował oś wagonu, a z drugiej – twardy, odporny na szybkie zużycie. Rolę twardych „orzechów” odgrywały w nim odpowiednie domieszki takich metali, jak wapń, sód, lit i glin, które tworzyły drobne kryształki w masie ołowianej stopu.

Dzięki swojemu wynalazkowi Jan Czochralski stał się bardzo bogaty, sławny i ceniony na świecie – intratną posadę zaproponował mu nie kto inny, jak Henry Ford, który w swoich zakładach w Detroit chciał zgromadzić najtęższe umysły inżynierskie. Propozycję Czochralski odrzucił, ponieważ mniej więcej w tym samym czasie, w połowie lat 20., o jego powrót do odrodzonej Polski zabiegał ówczesny prezydent Ignacy Mościcki, który sam także był chemikiem i uznanym naukowcem. W 1928 roku Czochralski powrócił do Polski i objął Katedrę Metalurgii i Materiałoznawstwa na Wydziale Chemicznym Politechniki Warszawskiej. Zamieszkał w pięknej, dużej willi, w której urządził salon literacki i kolekcjonował dzieła sztuki. Fundował stypendia dla studentów, współfinansował rekonstrukcję dworku Chopina w Żelazowej Woli, wykopaliska w Biskupinie oraz prace odkrywkowe ropy w rejonie rodzinnej Kcyni.

Zawodowe i finansowe sukcesy Czochralskiego niektórych kłuły w oczy. Witold Broniewski, jeden z jego akademickich kolegów, oskarżał go o sabotaż na rzecz Niemiec. Wygodnym argumentem przeciw Czochralskiemu był fakt, że oprócz polskiego posiadał on również obywatelstwo niemieckie. Wprawdzie zrzekł się go z chwilą, gdy podjął decyzję o powrocie do Polski, nie uznały tego jednak władze niemieckie. Sprawa rzekomego sabotażu została rozstrzygnięta w sądzie w 1934 roku na korzyść Jana Czochralskiego. Broniewski został skazany na dwa miesiące więzienia w zawieszeniu i 500 złotych grzywny za zniesławienie. To zwycięstwo przysporzyło Czochralskiemu co najmniej kilku nowych antagonistów w środowisku akademickim…

Kiedy w 1939 roku wybuchła II wojna światowa, w porozumieniu z konspiracyjnymi władzami Politechniki Warszawskiej i za zgodą Niemców w miejsce Instytutu Metalurgii Czochralski utworzył Zakład Badań Materiałów. Miał on wykonywać zlecenia dla niemieckiego przemysłu (wytwarzano tam m.in. części do samochodów i motocykli Wehrmachtu), lecz wkrótce nawiązał też współpracę z Armią Krajową. Jako kierownik zakładu Czochralski zdołał uchronić cenną aparaturę przed wywiezieniem do Niemiec, zatrudniał też pracowników naukowych politechniki. Dzięki jego staraniom i znajomościom co najmniej dwóch pracowników uczelni zostało zwolnionych z obozów koncentracyjnych, a kolejnych 30 uczony wydostał z aresztów Gestapo. W zakładzie pracowali także żołnierze Armii Krajowej, a jego linię produkcyjną wykorzystywano do produkcji sprzętu dla AK, m.in. moździerzy i granatów oraz części do maszyn drukarskich. Kiedy upadło powstanie warszawskie, profesor wywiózł ze stolicy sprzęt badawczy z dawnego Instytutu Metalurgii i Metaloznawstwa. Wrócił on na Politechnikę Warszawską po wojnie.

Zapomniany geniusz

Władze komunistyczne powojennej Polski uznały Czochralskiego za niemieckiego agenta i przez kilka miesięcy więziono go w Piotrkowie Trybunalskim za rzekomą współpracę z okupantem. W sierpniu 1945 roku uczony został uniewinniony przez sąd w Łodzi i odzyskał wolność. Mimo to do pracy naukowej i dydaktycznej na Politechnice Warszawskiej nie powrócił już nigdy – senat uczelni podjął decyzję o wykluczeniu go z grona profesorów. Za współpracę z Armią Krajową w Polsce czasów stalinowskich groziły mu represje i ponowne kilkuletnie więzienie, więc obrona jego dobrego imienia nie była możliwa. Jan Czochralski wrócił więc do rodzinnej Kcyni, gdzie założył BION, małą fabryczkę produkującą m.in. pasty do butów i płyny do trwałej ondulacji. Sztandarowym produktem wytwarzanym w zakładzie według autorskiej receptury Czochralskiego był „proszek od kataru z Gołąbkiem” – mieszanka, w skład której wchodziły m.in. korzeń złocienia, kłącze kopytnika, ziele nostrzyka żółtego, kwiat kocanki piaskowej, kwas salicylowy i liść eukaliptusa. Dla pasjonatów bądź ekspertów w dziedzinie botaniki farmaceutycznej i zielarstwa wymienione składniki brzmią znajomo, dla laika – czyli m.in. dla mnie – to niewiele mówiące nazwy. Wystarczy jednak zajrzeć do internetu, by przekonać się, że taki np. nostrzyk żółty rośnie sobie w najlepsze na wielu polskich łąkach lub leśnych przydrożach i każdy z nas wielokrotnie się na niego natknął. Proszek od kataru aplikowało się jak tabakę, czyli wciągało głęboko do nosa – wieść głosi, że nie było wówczas skuteczniejszego lekarstwa na katar. Dobór składników proszku do dziś budzi uznanie farmaceutów, jednak muszę od razu uprzedzić: nie biegnijcie do apteki - odtworzenie tej receptury nie jest obecnie możliwe, ponieważ według współczesnych badań naukowych jeden ze składników proszku, kopytnik pospolity, wykazuje działanie rakotwórcze, zaś wspomniany wcześniej nostrzyk może uszkadzać wątrobę.

Firma BION błyskawicznie się rozwijała. I trudno się dziwić, bo oferowała produkty codziennego użytku bardzo wysokiej jakości. Z tak błyskotliwym umysłem i smykałką do biznesu dzisiaj można zrobić oszałamiającą karierę, lecz polityczna rzeczywistość lat 40. i 50. w Polce takim ludziom nie sprzyjała. Przedsiębiorcza działalność profesora ponownie wzbudziła podejrzliwość władzy ludowej. 22 kwietnia 1953 roku, podczas brutalnej rewizji Urzędu Bezpieczeństwa w jego willi w Kcyni, Jan Czochralski doznał rozległego zawału serca i wkrótce potem zmarł.

A co było potem? Rok po śmierci Czochralskiego zespół naukowców z Teksasu użył jego metody do wyhodowania monokryształów krzemu na potrzeby tranzystorów. Natomiast w Polsce przez kolejne dziesięciolecia jego nazwisko i dokonania nie figurowały nawet w encyklopediach. W 2011 roku, po zbadaniu licznych dokumentów świadczących o współpracy profesora z Armią Krajową, m.in. jego meldunków do Komendy Głównej AK, senat Politechniki Warszawskiej ogłosił jego rehabilitację. Dopiero w 2011 roku…

Dobrze się stało, że Jan Czochralski odzyskał należny mu szacunek, a dzisiaj można o nim poczytać w rozmaitych opracowaniach. Nie do końca wiem – i tutaj na pewno się powtórzę – jak opisać moje odczucia wobec faktu, że człowiek tak zasłużony dla polskiej i światowej nauki oraz dla swoich rodaków tak długo pozostawał zapomniany w swoim kraju. Jak mówi powiedzenie, lepiej późno niż wcale, ale…, zresztą sami oceńcie. Niech osoba Jana Czochralskiego i jego dokonania staną się inspiracją nie tylko dla tych, którzy już teraz żywo interesują się chemią i lubią sobie czasem coś pomieszać.

Maleńki bonus, czyli jak się robi monokryształy krzemu

W ciałach stałych atomy zajmują stałą i bardzo bliską pozycję w stosunku do swoich sąsiadów i nie przemieszczają się względem siebie. Jeśli atomy ustawione są w ściśle uporządkowaną, regularną strukturę, tworzą tzw. sieć krystaliczną. A jeśli to uporządkowanie jest identyczne w całej objętości bryły i jeśli nie wykazuje ona żadnych zrostów, pęknięć oraz zanieczyszczeń, mamy do czynienia z monokryształem. Tranzystory i inne elementy niezbędne do działania urządzeń elektronicznych wykonane są z tzw. półprzewodników, najczęściej z krzemu. W urządzeniach elektronicznych krzem wykorzystuje się tylko w postaci monokryształów, które do dzisiaj wytwarza się metodą Czochralskiego. Oczywiście nie da się tego zrobić w domu, ale sądzę, że warto wiedzieć, jak – w dużym skrócie – przebiega ten proces:

1.     W specjalnym piecu umieszczamy tygiel wykonany z krzemionki.

2.     Topimy polikrystaliczny krzem, a kiedy już zamieni się w ciecz, z jego powierzchnią stykamy cienki pręt z monokryształu krzemu – to tzw. zarodek kryształu.

3.     Wokół pręta stopniowo osadzają się atomy cieczy – zaczyna się wzrost kryształu.

4.     Pręt jest stopniowo wyciągany i obracany w miarę wzrostu monokryształu.

W całym procesie ważna jest szybkość wyciągania i obracania pręta, a także panujące w piecu ciśnienie i temperatura. Monokryształy krzemu produkowane metodą Czochralskiego mogą mierzyć nawet ponad dwa metry długości, mieć średnicę wynoszącą około pół metra i ważyć grubo ponad 200 kilogramów. A co dalej? Wyhodowanemu kryształowi nadaje się postać walca, a następnie tnie na cieniutkie płytki. I właśnie one są materiałem do budowy urządzeń elektronicznych.

 P.S.  Ten wpis powstał na podstawie rozdziału poświęconego Janowi Czochralskiemu w mojej najnowszej książce:

A następny wpis nie może być o niczym innym, jak o pierwszych tranzystorach :-)