|
№ 10-11 (3733-3734), 26 мая 2006 года
|
 |
|
неизвестное об известном
|
|
|
Пьезоэлектрики для Победы
В канун юбилея геологического факультета, который состоится в октябре 2006 года, мы приглашаем наших коллег – преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов факультета, принять участие в серии публикаций, посвященных 75-летию факультета.
|
 |
В.Б.Татарский |
|
Публикации могут получиться разнообразными, как разнообразны направления научной и педагогической деятельности факультета. Условно науки о Земле делятся на науки о строении нашей планеты и науки о ее веществе. Для строения Земли характерны планетарные масштабы, для строения вещества – атомные. Строение Земли изучают в «полевых» условиях, с использованием сейсмических волн и спутников Земли; расстояния здесь измеряют сотнями и тысячами километров. А вещество наблюдают под микроскопом, кристаллические структуры минералов расшифровывают в лаборатории с помощью рентгеновских лучей и с точностью до тысячных долей нанометра.
Эти, казалось бы, диаметральные научные направления – не антиподы, а две составляющие единого целого, которое называется науками о Земле и которое позволяет понимать геологические процессы, происходящие на нашей планете и в ее недрах, находить месторождения полезных ископаемых и наиболее эффективно использовать природные и синтетические материалы.
За 75 лет сотрудники факультета изучали геологическое строение Памира, Тянь-Шаня, Кольского полуострова и других регионов, участвовали в открытии якутских алмазов и магаданского золота, моделировали трансформации слоистых силикатов в земной коре, первыми в мире синтезировали малахит и ряд других кристаллических материалов и так далее За каждым таким достижением стоят интересные люди и события.
Выделение 75 лет назад геологического факультета как самостоятельного подразделения университета – дата скорее формальная. Реально же геологическое направление преподавалось и развивалось в нашем университете и раньше. Достаточно упомянуть кафедру минералогии, основанную в 1819 году, а также отделившуюся от нее 82 года назад кафедру кристаллографии. То есть реально наш факультет много старше своих 75 лет. И это позволяет причислить к нашей истории имена таких питомцев университета, как В.В.Докучаев, В.И.Вернадский и многие другие.
Ниже мы попытаемся «оживить» одну из страниц истории факультета, связанную с подвигом трех преподавателей кафедры кристаллографии в первый год Великой Отечественной войны.
Историки называют в качестве одной из причин наших военных неудач в 1941–1942 годах плохую войсковую связь. Наши связисты продолжали тянуть катушки с телефонной проволокой, в то время как немцы уже широко пользовались ближней радиосвязью. Летом 1941 г. в приборах связи трофейных немецких танков были найдены бесцветные пластинки. Анализ показал, что это сегнетова соль.
|
 |
Кристаллы сегнетовой соли производства 1941 года. Из каждого такого кристалла изготавливались сотни пьезоэлементов для радиосвязи |
|
Интерес к кристаллам гидрата винной кислоты – сегнетовой соли KNaC4H4O6•4H2O (отсюда – сегнетоэлектрики, то есть пьезоэлектрики, обладающие в определенном интервале температур также самопроизвольной поляризацией) возник еще в начале 1930-х годов, когда выяснилось, что они проявляют пьезоэлектрические свойства. То есть уже при ничтожном давлении на одной из их граней возникает положительный заряд, на противоположной – отрицательный. Иначе говоря, они обладают способностью преобразовывать механические воздействия в электрические импульсы (и обратно), откликаясь даже на слабые звуковые сигналы. Уже в то время эти кристаллы начали выращивать в Ленинграде в Физико-техническом институте в небольших количествах для научного исследования и накопления опыта их технического использования. Однако с широким их применением мы тогда промедлили.
После обнаружения кристаллов сегнетовой соли в немецких приборах связи Сектор обороны Ленгорисполкома поручил кафедре кристаллографии ЛГУ срочно наладить массовое скоростное выращивание таких кристаллов. Надо сказать, что сугубо мирная кафедра оказалась подготовленной теоретически и практически к скоростному выращиванию кристаллов стратегического назначения.
Скорость роста можно поднять лишь путем увеличения пересыщения раствора. Между тем возрастание пересыщения приводит к захвату раствора кристаллом и снижению его качества. Заведующий кафедрой кристаллографии профессор Осип Маркович Аншелес в 1939 г. увлекся наблюдением под микроскопом роста микрокристаллов гипосульфита в каплях их водного раствора (используется в качестве фиксажа в фотоделе). Он увидел, что по грани кристаллика от его вершин и ребер с большой скоростью распространяются слои. При высоких пересыщениях слои, не успев сомкнуться в центре, перекрываются новыми слоями, а под ними остаются вакуоли раствора. Аншелес первым наблюдал подобный процесс. Это наблюдение подтвердило уже упоминавшееся в литературе мнение о том, что привершинные и приреберные участки кристалла находятся в лучших условиях питания, они опережают центральные участки грани, где и остается раствор.
Отсюда следовал практический вывод: надо перемешивать раствор около растущего кристалла, создавая тем самым усиленное и равномерное поступление вещества к его поверхности. Американская фирма Brush Development Co. в 1933 г. взяла патент на выращивание кристаллов сегнетовой соли при покачивании кристаллизатора. При этом она получала кристалл весом в
3 кг за 3 недели. Покачивание громоздких кристаллизаторов неэкономично. Проще вращать растущий кристалл. Первым вращение кристаллов сегнетовой соли при их росте осуществил в 1936 г. еще один кристаллограф, П.С.Вадило. Павел Савельевич учился на физико-математическом факультете Ленинградского университета по геологическому отделению с 1927 по 1931 год, то есть до выделения геологического факультета. У себя дома в подвале этот энтузиаст провел пробные опыты с вращением и утверждал, что можно в 2 раза по сравнению с американцами увеличить скорость роста кристалла без снижения его качества. На кафедре кристаллографии ЛГУ ее сотрудник и недавний выпускник Алексей Александрович Штернберг поставил в 1940–
1941 гг. опыты, в которых кристалл вращался вокруг своей оси с удивительной для того времени скоростью 60 оборотов в минуту. У него один кристалл весом в 1–1,5 кг вырастал за 10–12 суток.
Досадным оказалось низкое качество имевшегося в наличии в 1941 г. реактива. Он был желтоватым из-за присутствовавших примесей. Соответствующего цвета получались и кристаллы. С технической стороны эта проблема решалась путем перекристаллизации. Вещество растворяют при повышенной температуре, создают насыщенный раствор, охлаждают до комнатной температуры, вызывая выпадение мелкокристаллической очищенной белой массы, а примеси в большей части остаются в растворе. Эта трудоемкая операция усложнила дело.
Для получения совершенных однородных кристаллов требовалось терморегулирование с точностью в 0.1оС. Первый выпускник кафедры кристаллографии доцент Виталий Борисович Татарский разработал терморегулятор оригинальной конструкции и усовершенствовал метод Штернберга. Дело в том, что когда кристалл вращается вокруг собственной оси, за ним тянется шлейф обедненного раствора. В результате задние грани растут медленнее, и в них могут наблюдаться включения раствора. Поэтому Татарский заменил вращение кристалла вокруг его собственной оси на эксцентричное – такое, при котором кристалл крепится к концу «кочерги», вращается вокруг ее длинной стороны и потому двигается по окружности. Это позволяло за 8–9 дней получать в одном кристаллизаторе либо один прекрасный кристалл весом в 2 кг, либо два кристалла (при введении в раствор двух кристаллоносцев с двумя затравками) общим весом в 3 кг. Такие скорости выращивания кристаллов из растворов остаются рекордными и по сей день.
Недопустим рост в кристаллизаторе лишних кристаллов (паразитиков), что происходит вследствие попадания в раствор из воздуха мельчайших пылинок сегнетовой соли. Пришлось еще больше усложнить «кухню» производства: готовить растворы в одном помещении, а растить кристаллы в другом; пропаривать пустой кристаллизатор в теплых водяных парах и держать его закрытым и теплым до заливки раствора; фильтровать раствор в перегретом состоянии; погружать кристаллоносец с затравкой, сполоснутый теплой водой, только в перегретый раствор; закупоривать кристаллизатор; и лишь после этого охлаждать раствор до температуры кристаллизации и так далее. Пришлось разработать также герметичный кристаллизатор, который допускал вращение растущего кристалла.
В августе 1941 г. в одном из жилых домов на Владимирском проспекте по заданию Сектора обороны Ленгорсовета был создан цех, производивший 100–
150 кг монокристаллов сегнетовой соли в месяц. Непосредственно созданием цеха занимался А.А.Штернберг. Указанный цех начал выдавать кристаллы уже в том же месяце. В нем было до 100 (!) кристаллизаторов, для которых приходилось готовить до 45 л раствора одновременно. Руководил цехом инженер Г.Я.Волохонский. Кафедра работала в сотрудничестве с Государственным союзным производственно-экспериментальным институтом Наркомата электропромышленности. Волохонский, видимо, был его сотрудником. Научное руководство и мозговая работа, наряду с конкретным собственноручным трудом по выращиванию кристаллов и совершенствованию конструкции ростовой аппаратуры и методики работы, в 1941–1942 гг. в значительной мере лежала на В.Б.Татарском. Принимал участие в этой работе также Владимир Мокиевский – тогда студент кафедры, будущий профессор Горного института. Кто еще являлся конкретным исполнителем (приготавливал растворы, занимался перекристаллизацией реактива, готовил затравки, мыл кристаллизаторы и прочее) – неясно.
29 августа немцы вышли к станции Тосно, перекрыв железную дорогу на Москву. З0 августа они вышли к станции Мга, перерезав железную дорогу, которая ведет из нашего города вглубь страны. С севера над Ленинградом нависли финны. Началась блокада. Окна Главного здания университета, обращенные к Неве, были заложены мешками с песком, в щелях между ними под прицелами пулеметов (в помещении Минералогического музея) держали Дворцовый мост. Стали быстро нарастать голод и холод. На город падали снаряды и бомбы. Горели и рушились дома. Погибали люди.
Цех работал. Теперь выращенные кристаллы в адрес ГУСКА (Главное управление связи Красной Армии) переправлялись через линию фронта на самолетах. Лишь начавшиеся перебои с электроэнергией заставили остановить в ноябре 1941 г. это небольшое уникальное производство. Выращивание монокристаллов сегнетовой соли по ленинградскому методу было переналажено в Уфе. Татарский летал туда для передачи технологии и опыта. За эту работу он получил письменную благодарность от уполномоченного Госкомитета обороны по Ленинграду.
А что же немецкая сегнетова соль, как ее выращивали в Германии? Известно, что в 1960 году кафедру кристаллографии ЛГУ посетили два немецких ученых в сопровождении переводчика из посольства. Они просили поделиться секретом скоростного выращивания кристаллов этого вещества. В свою очередь В.Б.Татарский (Аншелес в 1958 году скончался, а Штернберг в
1960 году уже работал в Москве) спросил о немецкой технологии, ведь были же кристаллы. И услышал, что в 1945 году все оборудование и технология синтеза были вывезены из Германии западными победителями, поэтому Германия начинает разработки с нуля. Профессор В.Б.Татарский (в то время – заведующий кафедрой) передал гостям книгу О.М.Аншелеса, В.Б.Татарского и А.А.Штернберга «Скоростное выращивание однородных кристаллов из раствора», написанную по свежим воспоминаниям о блокадной эпопее с сегнетовой солью и опубликованную в 1945 году. Эта книга завершила секретный этап работ.
В наше время стремительно возрастает применение природных и синтетических кристаллов в науке и технике. Такими же темпами повышается спрос на мировом рынке на новые неорганические и органические кристаллические материалы.
После войны мягкая, содержащая переменное количество воды в зависимости от влажности воздуха и меняющая свойства в процессе суточных и сезонных колебаний температуры сегнетова соль была вытеснена кварцем и другими более стабильными пьезоэлектриками. Сейчас петербургская фирма «Морион» производит треть кварцевых пьезоэлементов мира для беспроводной связи, в основном для мобильных телефонов и обслуживающих их станций.
Запасы природного кварца давно истощились, поэтому пьезоэлементы делают из синтетического кварца. А.А.Штернберг, работая в 1950-х годах в Москве, создал вместе со своими коллегами первый в нашей стране метод выращивания кристаллов прозрачного кварца (горного хрусталя) в промышленных масштабах, за что коллектив авторов получил Ленинскую премию.
В 1975-77 годах сотрудники кафедры кристаллографии Т.Г.Петров, А.Э.Гликин и С.В.Мошкин первыми в мире синтезировали малахит и получили авторское свидетельство на технологию синтеза.
В 1990-е годы ростовая лаборатория С.В.Мошкина обеспечивала физиков страны монокристаллами высокотемпературных сверхпроводников для научных и технических испытаний.
Сверхжаропрочные керамики и покрытия, материалы для захоронения радиоактивных отходов, парафины нефти, титановые и крокоитовые красители, боратные нелинейно-оптические материалы, камень и металл памятников культуры нашего города и многие другие материалы изучались и изучаются на кафедре. Развивая традиции старших поколений, кафедра кристаллографии открыла в 1999 году новую специализацию «материаловедение» в бакалавриате (после II курса), а с 2002 года – и в магистратуре (после IV курса). В
2006 году кафедра вводит ежемесячную стипендию имени В.Б.Татарского для материаловедов 3-го курса.
Так именно в блокадном Ленинграде был осуществлен на практике первый отечественный (а возможно, и первый в мире) промышленный метод быстрого и экономичного синтеза монокристаллов из низкотемпературных жидких сред.
Этот эпизод поучителен. Университетская кафедра – это опытная научная лаборатория. Каждый сотрудник здесь может развивать свое направление исследований. Рассказанная история показала, как важно поддерживать в университете энтузиастов и все их «чудачества». 
Е.Б.Трейвус, С.К.Филатов
(filatov@crystal.pu.ru)
|
