«Отец кристаллов», на долгие годы забытый на родине: история польского учёного, ускорившего цифровую революцию

От неоконченного колледжа до запрета заниматься наукой и запоздалого признания.

В 1950-х компьютеры были устройствами размером с комнату. Уменьшить их размер и увеличить производительность позволило внедрение интегральной микросхемы, изготовленной на кристалле полупроводника. Благодаря разработке метода для выращивания таких кристаллов стало возможным существование сегодняшних компьютеров, смартфонов и другой цифровой техники.

Этот метод изобрёл Ян Чохральский — польский химик, чьё открытие толкало технический прогресс вперёд, пока на родине его имя оставалось в забвении.

Ян Чохральский родился 23 октября 1885 года в городе Кцыня, в немецкой части разделённой в то время Польши. Чохральский был восьмым ребёнком в семье ремесленников и до 16 лет учился в педагогическом колледже, так как его отец хотел, чтобы сын стал учителем.

Ранние этапы его жизни в Кцыне известны плохо. В книге «Ян Чохральский — предшественник современной электроники» биографы пишут, что учёный с раннего детства был открыт к знаниям, увлекался химией и любил экспериментировать.

Чохральский так и не получил аттестат об образовании. По одной версии, юноша сам бросил учёбу из-за конфликта с преподавателем. По другой, после пожара из-за неудачных экспериментов отец выгнал сына из дома, не дав закончить учебу в колледже. В 16 лет Чохральский устроился на работу в аптеку в соседнем городе, а ещё через три года уехал в Берлин — ближайший научный и культурный центр. Его дом в Кцыне сохранился до сегодняшних дней, в нём сейчас находится музей.

С 1904 года Чохральский работал в берлинских аптеках, где параллельно изучал химию. В 1906 году он устроился в лабораторию Kunheim & Co, а в свободное время посещал лекции на химическом факультете университета Шарлоттенбурга (ныне Берлинский технический университет). Это заведение учёный тоже не закончил. Но там он познакомился с пианисткой из голландско-немецкой семьи Маргаритой Хассе, на которой женился в 1910 году.

В 1910 году Чохральский получил получил должность старшего инженера в компании AEG (Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft). В следующем году он стал помощником известного немецкого инженера Вихарда фон Мёллендорфа, основателя лаборатории металловедения в компании. Первую научную статью с участием Чохральского они вместе опубликовали в 1913 году — она посвящена кристаллографии металлов и наблюдению за дефектами. В этом научном направлении учёный работал все последующие годы.

В 1914 Чохральский лично руководил лабораторией металловедения. С началом Первой мировой войны из-за ограничений на поставку материалов промышленные компании нуждались заменителях, например, металлических сплавах. В течение 1916 года химик проводил научные работы по изучению скорости кристаллизации свинца, олова и цинка.

Существует легенда, что в один из вечеров, когда учёный записывал результаты дневной работы, он от усталости окунул перо в остывающую банку с расплавленным оловом, думая, что это чернильница. Подняв перо, Чохральский заметил затвердевшую металлическую нить, свисающую с него. Он понял, что нить — это монокристалл олова и длина её зависела от скорости, с которой вытаскивали перо.

Благодаря последующим экспериментам химик сформировал новый метод выращивания кристаллов. Суть его заключалась в получении качественных монокристаллов за счёт вытягивания их из расплава. Например, в ёмкость для роста загружается металл в виде порошка, и доводится до плавления. После в расплав помещается частица кристалла того же вещества (затравка). Когда на ней начинает расти кристалл, его постепенно вытягивают из расплава.

В августе 1918 года научный журнал Zeitschrift für Physikalische Chemie опубликовал статью учёного, которая называлась «Новый метод измерения скорости кристаллизации металлов». Там он и описал способ выращивания кристаллов, названный им «методом капилляров».

Технология позволила измерять новые физические свойства металлов, так как некоторые исследования можно было провести только на монокристаллах. Позже учёный даже запатентовал новый способ выращивания кристаллов, но не получил от этого прибыли.

Хотя метод и использовался в научных кругах, изобретение опередило своё время и особо не повлияло на жизнь Чохральского. Открытие нашло практическое применение только в 1950-х, с активным развитием микроэлектроники.

Благодаря исследованиям Чохральского в металлургии, в 1917 году его пригласили управлять одной из крупнейших промышленных лабораторий во Франкфурте-на-Майне. Через два года он стал одним из основателей Немецкого металлургического общества и был его президентом с 1924 по 1929 годы.

В 1923 году Генри Форд пригласил Чохральского работать в США. Но учёный не принял предложение, так как планировал вернуться во вновь образованную Польшу. По мнению некоторых исследователей, Чохральский сотрудничал с польской военной разведкой, чтобы собирать данные о немецкой промышленности. И именно по этой причине он не получил разрешения на переезд.

В 1924 году после нескольких лет лет исследований учёный получил патент на «Металл B», изобретение, которое принесло Чохральскому большую славу и финансовую выгоду. «Металл B» — сплав для создания подшипников, не содержащих олова и используемых в железнодорожной промышленности. Благодаря своей дешевизне, прочности и отсутствию олова, которое было дорогим и труднодоступным в то время, «Металл B» закупили США, Франция, Англия.

Учёный также изучал другие металлы и их сплавы, исследовал скорость кристаллизации и связанные с ней физические эффекты. Он проводил исследования структур различных веществ, сконструировал радиомикроскоп и аппарат для ориентации кристаллических образцов, исследования дефектов и обнаружения фаз в поликристаллических образцах.

В 1928 году президент Польши и химик по образованию Игнаций Мосцицкий убедил Яна Чохральского вернуться в родную страну. Существует версия, что учёного вернула польская разведка, так как была возможность раскрытия его шпионской деятельности.

На родине его назначили профессором химического факультета Варшавского политехнического университета. Через год он получил там докторскую степень. Благодаря сотрудничеству с военными, учёный основал Институт металлургии и металловедения. Организация имела большое государственное финансирование, широкий штат сотрудников и автономность от университета.

Чохральского критиковали учёные, которые высказывали недовольство вручением ему степени, так как он не имел специализированного образования. Другие сотрудники негативно воспринимали чрезмерную независимость Института металлургии. Также в научных кругах часто обсуждали вопрос о происхождении учёного (поляк он или немец), и то, что его исследования идут во вред Польше. В связи с этим Чохральского даже втянули в ряд судебных разбирательств, но впоследствии оправдали.

До начала Второй мировой войны учёный проводил в институте научные исследования для военных и гражданских целей. В мае 1939 года немецкий физик и будущий лауреат Нобелевской премии профессор Вальтер Герлах посещал институт Чохральского.

Учёный вёл общественную жизнь, в его доме часто проходили встречи известных деятелей культуры и искусства. Ещё в Германии Чохральский начал собирать ценные картины, а в его варшавском доме находилась небольшая галерея. Помимо этого учёный писал стихи и рассказы, являлся одним из организаторов Музея техники. Он финансировал стипендии для студентов, реконструкцию старых зданий и археологические исследования в родном регионе.

Во время оккупации Польши немецкими войсками Институт металлургии, где работал Чохральский, сильно разрушили. Однако он создал новую техническую лабораторию с согласия правительства Германии, которое планировало использовать её в своих целях.

По мнению исследователей из Международного кристаллографического сообщества, деятельность Чохральского в этот период остаётся спорной. Во время оккупации Варшавы для населения ввели много ограничений, но Чохральский продолжал жить привычной жизнью. Он проводил приёмы, которые посещали немецкие чиновники, и продолжал собирать произведения искусства.

Восстановленный Институт металлургии сотрудничал с Вермахтом, но также тайно производил оружие для Армии Крайовой — подпольной польской военной организации. Многие учёные нашли работу в институте, что спасло их от перевозки в Германию. Чохральский использовал свои немецкие связи и брак с немкой, чтобы привлечь к работе заключённых поляков.

Весной 1945 года новые власти Польши арестовали Чохральского из-за сотрудничества с нацистами. Ему грозила смертная казнь. Но дальнейшее расследование показало, что его действия нельзя классифицировать как измену, дело прекратили. Учёного освободили из тюрьмы после четырёх месяцев ареста. Несмотря на отсутствие доказательств вины, в конце 1945 года руководство университета исключило его из института и запретило заниматься наукой.

Сотрудник университета доктор Зигмунд Трзаска-Дурски в 1998 году писал, что отставка могла произойти из-за того, что Чохральский все военные годы поддерживал социальные отношения с немцами и гестапо, ездил в Германию и называл себя на немецкий манер Иоганн вместо Ян. Также доктор утверждал, что Чохральский обращался к немецким властям для получения себе награды «За заслуги перед Германским Рейхом». Однако исследователь биографии химика Павел Томашевский позже писал, что доказательств этому не было, а социальные контакты с немцами и поездки оказались вынужденной мерой.

В 1946 году Чохральский вернулся в Кцыню, где основал компанию Bion, производившую бытовую химию и парафармацевтические препараты. Некоторые продукты компании продавались до начала 21 века.

В Кцыне Чохральские по-прежнему организовывали литературные вечера и собирали произведения искусства. Учёный продолжал писать стихи и рассказы под псевдонимом Ян Палуцкий. Семья Чохральских финансировала художественные стипендии.

В начале 1953 года химик продал свою виллу в Варшаве посольству Швейцарии, а в апреле того же года умер от сердечного приступа. Обстоятельства, приведшие к смерти, остаются неясными. По одной из версий, это произошло в результате вторжения полиции и обыска в его доме.

Полицейские якобы искали доллары от продажи его виллы (владение иностранной валютой запрещалось в Польской Народной республике), но не смогли найти. У учёного произошёл сердечный приступ, когда он увидел разруху в доме после обыска. По второй версии, сердечный приступ случился после погони химика за людьми, которые испортили его сад.

В послевоенные годы в Польше запрещалось упоминание имени Чохральского в школьных или университетских учебниках. В 1984 году группа учёных пробовала восстановить доброе имя химика, но сенат Варшавского технологического университета этого не одобрил. В 1989 году к власти пришло демократическое правительство. Только тогда появилась возможность открыто говорить о Чохральском и узнать больше о его жизни из закрытых архивов.

В 1991 году Польское общество выращивания кристаллов организовало несколько лекций о нём, а с 1998 году стало Обществом Яна Чохральского. В 2005 году Институт национальной памяти не нашёл доказательств сотрудничества профессора с немецким правительством, однако обнаружил свидетельства его контактов с Армией Крайовой. По мнению исследователей, сам учёный скрывал этот факт, так как польское подпольное движение после оккупации подверглось репрессиям со стороны НКВД СССР и польского коммунистического правительства.

Другие документы также раскрывали следующие факты:

По результатам в 2011 году Сенат Варшавского политехнического университета принял постановление о восстановлении имени учёного, а 2013 год объявили в Польше годом Яна Чохральского.

Рост популярности метода Чохральского произошёл после изобретения германиевого транзистора в американской компании Bell Labs в конце 1947 года. Транзистор — элемент из полупроводникового материала, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им.

Сотрудники компании Джон Литтл и Гордон Тил поняли, что качественный транзистор должен быть сделан на большом и качественном монокристалле германия. Тил заметил, что коллеги из металлургического отдела использовали для роста других веществ метод Чохральского и решил применить его в своих исследованиях.

Американцы немного модифицировали способ роста и подали патент на изобретение нового метода в 1950 году. В работе они не указывали имя Яна Чохральского, но сослались на две статьи, где описывался его метод роста для металлических монокристаллов. Тил и Литт написали в работе следующее: «Это изобретение относится к усовершенствованному способу для создания монокристаллов или контролируемых поликристаллов, в частности германия».

В 1951 году Тил и другие учёные получили монокристалл кремния методом Чохральского. Хотя исследователи не открыли новый способ роста кристаллов, они сделали вклад в разработку устройства для получения кристаллов, и обеспечили Яну Чохральскому место в науке и в научной терминологии. А сообщество учёных в дальнейших публикациях чаще использовало название «метод Чохральского», хотя в родной стране о нём всё ещё не говорили.

С помощью технологии польского учёного други исследователи получили качественные и чистые монокристаллы кремния. С 1960-х годов их используют для производства первых интегральных схем — небольших пластин, которые могут содержать от сотен до миллионов транзисторов и обеспечивающих бесперебойную работу устройств микроэлектроники: компьютеров, смартфонов и других.

На начало 2000-х годов около 95% мирового производства монокристаллов кремния производилось с использованием процесса, открытого Яном Чохральским. В науке этот человек остался под единственно возможным для него именем — «предтеча современной электроники».

Статья создана участником Лиги авторов. О том, как она работает и как туда вступить, рассказано в этом материале.

#наука #лонгриды #история #лигаавторов #профиль