Jan Czochralski - kryształowa kariera
Trudno wyobrazić sobie współczesny świat bez smartfonów, tabletów czy konsoli do gier. Niełatwo uwierzyć, że komputery mogłyby mieć wciąż rozmiary dużego pokoju, a do ich zasilania potrzebny byłby cały prąd wytwarzany przez małą elektrownię. Tymczasem świat mógłby wciąż tak wyglądać. A już na pewno rewolucja technologiczna znacznie by się opóźniła, gdyby nie odkrycie polskiego uczonego – profesora Jana Czochralskiego –sprzed ponad 100 lat. Według szacunków Polskiego Towarzystwa Wzrostu Kryształów nazwisko Czochralskiego jest dziś najczęściej wymienianym nazwiskiem polskiego naukowcana świecie. Znaczenie jego badań i wynalazków stawia się nierzadko w jednym rzędzie z dokonaniami Mikołaja Kopernika i Marii Skłodowskiej-Curie.
Trzy perły w koronie
Dorobek naukowy profesora Jana Czochralskiego – wybitnego metalurga, fizykochemika i krystalografa – obejmuje m.in. ponad sto publikacji, dwie monografie książkowe i kilkadziesiąt patentów. Wśród nich najbardziej znane i szczególnie cenne (dosłownie i w przenośni), okazały się trzy:
- odkrycie w 1916 r. sposobu wytwarzania (wyciągania) dużych kryształów metali pierwotnie służącego do pomiaru szybkości krystalizacji, a dziś nazywanego metodą Czochralskiego. Kryształy krzemu otrzymane tą metodą służą obecnie do produkcji elementów półprzewodnikowych, na których opiera się współczesny przemysł elektroniczny,
- wynalezienie w 1924 r. stopu do produkcji panewek łożysk ślizgowych stosowanych w kolejnictwie, znanegojako „metal B” (od niemieckiego Bahn – kolej), w którym,przy zachowaniu wymaganych parametrów fizycznych, trudno dostępna cyna została zastąpiona ołowiem, co zrewolucjonizowało ówczesny transport kolejowy,
- opracowanie w 1925 r. tzw. radiomikroskopu, który uważa się za pierwowzór skaningowego mikroskopu analizującego, za skonstruowanie którego 61 lat później naukowcy Gerd Binnig i Heinrich Rohrer otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Metoda Czochralskiego
Odkryciem wyprzedzającym epokę, które stało się jedną z podstaw współczesnej elektroniki, było opracowanie przez profesora Czochralskiego metody wyciągania kryształów metali, zwanej „metodą CZ”. Przy zastosowaniu tej metody wytwarzane są współcześnie niemal wszystkie monokryształy krzemu i arsenku galu, z których następnie wycina się płytki (tzw. wafle) służące do produkcji urządzeń półprzewodnikowych (np. diod, laserów, tranzystorów) i układów scalonych. Szacuje się, że obecnie nawet 90 proc. rynku urządzeń półprzewodnikowych produkowanych jest w oparciu o monokryształy krzemu wytwarzane metodą polskiego wynalazcy. Wraz z tymi podzespołami „kryształy Czochralskiego” trafiają na przykład do telewizorów, kuchenek mikrofalowych, robotów, telefonów komórkowych, tabletów, cyfrowych aparatów fotograficznych, odtwarzaczy mp3, konsoli do gier, zegarków czy różnych czujników i układów sterowania pojazdami czy urządzeniami przemysłowymi.
Według anegdoty, w odkryciu sposobu hodowania monokryształów uczonemu pomógł przypadek. Pewnego dnia, dokumentując swoje badania nad sposobem pomiaru szybkości z jaką tworzą się kryształy metali, czy to ze zmęczenia, czy z roztargnienia, niechcący zanurzył pióro w tyglu z roztopioną cyną, zamiast w kałamarzu z atramentem. Podnosząc je, zauważył ciągnący się za stalówką cieniutki drucik cyny. Badacz wykazał się czujnością i rozpoczął badanie tego dotychczas nieznanego w przyrodzie zjawiska. Okazało się, że zwisający ze stalówki pręcik jest pojedynczym kryształem (monokryształem) cyny.
Hodowla monokryształów
Współcześnie wytwarzanie monokryształów metodą polskiego badacza odbywa się w specjalnych piecach do monokrystalizacji. Proces polega na bardzo ostrożnym „wyciąganiu” monokryształów z roztopionej substancji za pomocą wirującego pręta z małym kryształem krzemu, który pełni rolę zarodka. „Oblepiają” go stopniowo kolejne warstwy kryształów, dzięki czemu uzyskuje się uporządkowaną strukturę, nadającą się, po precyzyjnym pocięciu na mikroskopijne płytki, do budowy układów mikroelektronicznych. Pierwsze kryształy, wytworzone samodzielnie przez prof. Czochralskiego, wyglądały jak metalowe druty o średnicy 1 milimetra i długości do 15 centymetrów. Dzięki nieustannemu doskonaleniu całego procesu, współcześnie „hodowane”kryształy krzemu mogą mieć nawet kilka metrów długości oraz ważyć kilkaset kilogramów. Produkcja kryształów ze szczególnie rzadkich lub trudnych w obróbce materiałów wymaga stosowania specjalnie zmodyfikowanych pieców. Maleńkie, lecz niezwykle cenne monokryształy wyciąga się wtedy z pojedynczych kropel lewitujących w polu magnetycznym.
Odkrycie, które zmieniło świat
Niestety, Janowi Czochralskiemu (który zmarł w 1953 roku) niedane było dożyć czasów, w których jego odkrycie znalazło praktyczne zastosowanie, dając fundament pod rozwój nowoczesnej elektroniki. Nowe, wspaniale życie jego wynalazku zaczęło się dopiero po zakończeniu II wojny światowej, a konkretnie w 1948 roku. Wtedy to trójka amerykańskich uczonych: Walter Brittain,John Bardeen i William Shockley, skonstruowała tranzystor, za co w 1956 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Przy tej okazji warto dodać, że do autorstwa konstrukcji tranzystora bezskutecznie zgłaszał prawa urodzony we Lwowie i uznający się za Polaka fizyk Juliusz Edgar Lilienfeld, który już w 1926 roku złożył wniosek o patent na układ będący protoplastą tranzystora złączowego. Początkowo jednak hamulcem dla budowy i efektywnego stosowania tranzystorów był brak wystarczająco czystych, jednolitych materiałów półprzewodnikowych. Szybko jednak, bo już w 1950 roku, pracownicy Laboratorium Bella (chemik Gordon Teal, inżynier mechanik John Little i technik ErnestBuehler) zastosowali „metodę CZ.” do otrzymywania monokryształów germanu i krzemu (co oficjalnie ogłoszono w 1951roku). Wynalazek inżynierów z Bell Laboratories oraz skonstruowanie w ślad za nim układu scalonego (Jack Kilby, 1958 r.) doprowadziły do rewolucji elektronicznej, wprowadzając odkrycie Jana Czochralskiego do katalogu tych, które zmieniły świat.
Z Kcyni do Berlina
A na świat Jan Czochralski przyszedł 23 października 1885 roku w miasteczku Kcynia, leżącym w historyczno-geograficznym regionie Pałuki, w ówczesnym zaborze pruskim. Przyszły wielki wynalazca i uczony urodził się jako ósme (z dziesięciorga) dziecko Marty Suchomskiej i Franciszka Czochralskiego, który był stolarzem. Ukończył Szkołę Ćwiczeń i Seminarium Nauczycielskie w Kcyni. Według rodzinnych przekazów podarł świadectwo maturalne w proteście przeciw rzekomo niesprawiedliwym ocenom. Można też spotkać się z wersją, że był to rodzaj buntu wobec ojca, który zabraniał mu przeprowadzania eksperymentów chemicznych. Sam ten desperacki akt nie unieważniałby oczywiście otrzymania matury, ale nie jest jasne, czy w ogóle ją zdał. Za to na pewno 16-letni kcynianin w 1901 roku wyjechał do Berlina, gdzie zaczął praktykować i pracować w aptece-drogerii u doktora A. Herbranda. Warto pamiętać, że ówczesne apteki same produkowały leki, więc młody Czochralski mógł rozwijać swoje umiejętności chemiczne, m.in. z zakresu analizy rud, olejów, smarówi metali. Z kolei wiedzę teoretyczną uzupełniał m.in. na wykładach z chemii na politechnice w podberlińskim Charlotttenburgu. W sierpniu 1907 r. podjął pracę w koncernie Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft (ÆG), gdzie zajmował się badaniami metalurgicznymi.
Czas odkryć i zaszczytów
W wieku 25 lat ożenił się z pianistką Margaretą Haase, która pochodziła z zamożnej rodziny holenderskiej osiadłej w Niemczech. Poznał ją, będąc jeszcze biednym studentem, na jednym z polonijnych koncertów chopinowskich. Dzięki małżeństwu, które zapewniało mu zaplecze materialne, stać go było na podjęcie prac badawczych. W tym czasie badał m.in. wykresy równowagi fazowej, rekrystalizację odkształconych metali, właściwości monokryształów oraz właściwości metali za pomocą promieni Roentgena. W 1911 r. został asystentem Wicharda von Moellendorffa – inżyniera zajmującego się badaniem materiałów oraz znanego ekonomisty, przyszłego wiceministra gospodarki. Dwa lata później, wspólnie ze swoim patronem, opublikował pierwszy artykuł naukowy w czasopiśmie niemieckich inżynierów poświęcony przemieszczeniom atomów w kryształach metali. Wreszcie, w 1916 r. opracował metodę pomiaru szybkości krystalizacji metali. Jego artykuł, z opisem oraz szczegółami technicznymi metody (m.in. wynikami eksperymentów dla cyny, cynkui ołowiu), został opublikowany przez czasopismo ,,Zeitschrift fürphysikalishe Chemie” dwa lata później.
W 1917 r. Jan Czochralski został kierownikiem nowoczesnego Laboratorium Metali we Frankfurcie nad Menem, gdzie m.in. prowadził poważne badania nad stopami lekkimi na bazie glinu, takimi jak na przykład duraluminium. Odkrycia tzw.,,stopu B”dokonał w 1924 r. Umożliwiło ono znaczące zwiększenie prędkości jazdy pociągów, a w konsekwencji dynamiczny rozwój kolejnictwa, zwłaszcza w Niemczech, Anglii, USA, ZSRR oraz w Polsce.
Okres frankfurcki uczynił z badacza człowieka szanowanego w środowisku naukowym oraz bardzo zamożnego. Jego fortuna rosła głównie za sprawą patentów sprzedawanych do wielu krajów Europy i Stanów Zjednoczonych, a także konsultacji udzielanych czołowym firmom przemysłu metalowego na świecie(np. Škoda, Bofors, Schneider-Creusot). W roku 1925 r. słynny amerykański przemysłowiec Henry Ford zaproponował Janowi Czochralskiemu objęcie stanowiska dyrektora w fabryce duraluminium w USA, lecz badacz nie przyjął tej propozycji, gdyż już wtedy myślał o powrocie do Polski. W tym samym roku Jan Czochralski został wybrany przewodniczącym Niemieckiego Towarzystwa Metaloznawczego, co niewątpliwie potwierdzało uznanie, jakim polski naukowiec cieszył się w kręgach niemieckiego przemysłu. Jego pobyt w Niemczech wieńczy Światowa Wystawa Materiałowa w Berlinie, której był organizatorem oraz gospodarzem.
Powrót do ojczyzny
Mimo sukcesów odnoszonych w Niemczech, w 1929 roku Jan Czochralski powrócił do Polski i wraz z rodziną zamieszkał w Warszawie. Do powrotu i włączenia się w rozwój polskiej nauki i przemysłu namawiał go podobno Prezydent RP IgnacyMościcki (który sam zresztą był znanym profesorem chemii), ale bezpośrednią przyczyną była decyzja polskiego wywiadu(z którym współpracował) o konieczności ewakuowania uczonego do kraju z obawy przed dekonspiracją.
W kwietniu tego samego roku Czochralski objął stanowisko profesora kontraktowego w Katedrze Metalurgii i Metaloznawstwana Wydziale Chemicznym Politechniki Warszawskiej. Dzięki dotacjom i kredytom państwowym wkrótce stworzył i wyposażył w najnowocześniejsze laboratoria badawcze Zakład Metalurgii i Metaloznawstwa, którego został kierownikiem.
Rok później został mianowany przez prezydenta RP profesorem zwyczajnym PW, a w 1934 r. objął kierownictwo Instytutu Metalurgii i Metaloznawstwa, gdzie aż do wybuchu wojny, na zlecenie Ministerstwa Spraw Wojskowych, prowadzono prace naukowe na rzecz uzbrojenia.
Uczony-mecenas
Warto wspomnieć także o zamiłowaniu państwa Czochralskich do literatury i sztuki. W swej eleganckiej willi w Warszawie przy ul. Nabielaka 4 organizowali oni dla ludzi z kręgu kultury i sztuki, tzw. „czwartki literackie”. Bywały u nich takie sławy jak Leopold Staff, Kornel Makuszyński, Wacław Berent, Ludwik Solski, Adolf Nowaczyński, Feliks Nowowiejski, Alfons Karny i wielu innych. Jan Czochralski pisał także wiersze oraz powieści, m.in. pod pseudonimem Jan Pałucki. Uczony-mecenas wspierał finansowo artystów oraz finansował wiele działań na rzecz kultury, np. fundował stypendia artystyczne, wspierał remont Dworku Chopina w Żelazowej Woli, badania archeologiczne w Biskupinie, współtworzył Muzeum Przemysłu i Techniki. A po wybuchu wojny ratował z wojennej pożogi m.in. zbiory Zachęty.
Trudne czasy
Na początku wojny Jan Czochralski stracił brata Kornela, rozstrzelanego przez Niemców za pomoc polskim chłopom w przedwojennej Polsce. W styczniu 1940 r. – za zgodą okupacyjnych władz niemieckich – Czochralski uruchomił na terenie Politechniki Warszawskiej Zakład Badań Materiałów. Realizowano w nim cywilne i wojskowe zlecenia na rzecz władz okupacyjnych, ale także na potrzeby Armii Krajowej. W Zakładzie działała bowiem komórka AK utworzona przez część pracowników, która wykonywała elementy uzbrojenia, a także części potrzebne do druku prasy podziemnej. W trakcie wojny Profesor wraz z żoną i najstarszą córką Leonią, poprzez swoje osobiste kontakty z Niemcami, pomagali uwolnić aresztowanych z więzień i obozów. Czasem wystawiano także poświadczenia pracy w zakładzie, które ze względu na to, że realizował on zlecenia wojskowe, chroniły przed represjami okupanta. Po upadku Powstania Warszawskiego Profesor, chcąc ratować cenny majątek, wywiózł część wyposażenia laboratoriów Instytutu Metalurgii i Metaloznawstwa. Powojenne komunistyczne władze uznały, że uczynił to na szkodę narodu polskiego.
W kwietniu 1945 r. Czochralski został aresztowany i osadzony w więzieniu w Piotrkowie Trybunalskim pod zarzutem kolaboracji z hitlerowcami. Kara śmierci groziła także jego córce i zięciowi. Śledztwo prowadził Specjalny Sąd Karny w Łodzi. Zeznawali liczni świadkowie, którzy mówili o pomocy i ratowaniu Polaków przez Profesora i jego rodzinę. Pomimo umorzenia śledztwa, uwolnienia Czochralskiego (po 4 miesiącach) i poinformowaniu o braku dowodów winy władz Politechniki Warszawskiej, Senat tej uczelni, uchwałą z grudnia 1945 r., wykluczył Jana Czochralskiego ze społeczności akademickiej i przestał go uważać za profesora PW. Do nieudowodnionego zarzutu kolaboracji, doszła zła ocena części kadry akademickiej PW odnośnie przedwojennej działalności uczonego w Niemczech oraz nieuzasadniony zarzut braku zaangażowania w ruch oporu w czasie okupacji. Niejednokrotnie zarzuty te formułowane były na pożywce jeszcze przedwojennych konfliktów personalnych i zawiści ze strony części grona profesorskiego.
Powrót do Kcyni
Zniesławiony i pozbawiony pracy uczony wyjechał wraz z rodziną do rodzinnej Kcyni. Zamieszkali w wybudowanej jeszcze przed wojną willi „Margowo” (nazwanej tak na cześć żony),która wcześniej pełniła funkcję ich letniej rezydencji. Szybko otworzył niewielkie Zakłady Chemiczne ,,BION” wytwarzające chemię gospodarczą i parafarmaceutyki (m.in. sól szybko-peklującą, lak butelkowy i stemplowy, świece choinkowe, proszek od kataru, płyn do trwałej ondulacji, itp.). Czochralskiemu udało się też sprzedać ruiny dawnego domu w Warszawie. Otrzymał za nie zapłatę w dolarach, czym złamał powojenny zakaz posiadania walut obcego państwa. W Kcyni zjawili się funkcjonariusze Urzędu Bezpieczeństwa, którzy przeprowadzili brutalną rewizję w jego domu. Gospodarz bardzo przeżył to najście i, prawdopodobnie w jego wyniku, z zawałem serca trafił do szpitala w Poznaniu. Tam zmarł 22 kwietnia 1953 r. Został pochowany w rodzinnym grobowcu na starym cmentarzu w Kcyni.
Rehabilitacja
Droga ku rehabilitacji i przywróceniu profesorowi Czochralskiemu dobrego imienia była długa i wyboista. Wprawdzie duża część środowiska naukowego nie uznała „wykluczenia” uczonego przez Senat PW w 1945 r., pisano o nim książki, ale jego macierzysta uczelnia podjęła oficjalne próby rehabilitacji dopiero w 1984 i w 1993 roku. Jednak –jak gorzko zauważa Paweł E. Tomaszewski: „dopiero śmierć ostatnich przeciwników rehabilitacji i znaleziony w archiwum dokument z kwietnia 1944 roku świadczący o współpracy z Armią Krajową przeważyły szalę”. Prof. Jan Czochralski został w pełni zrehabilitowany na tej uczelni decyzją jej Senatu z dnia 29 czerwca 2011 roku.
Wkrótce po tej decyzji, na wniosek wielu towarzystw naukowych, uczelni, organizacji zawodowych oraz samorządu Kcyni, Sejm 7 grudnia 2012 roku przyjął uchwałę o ustanowieniu roku 2013 Rokiem Jana Czochralskiego. Jak wylicza biograf Profesora, rok ten zamknął się bilansem prawie tysiąca tzw. wydarzeń w ponad 60 miejscowościach, wśród których odnotowano: 120 istotnych publikacji ponad 50 autorów, ponad 160 wykładów i referatów, trzy filmy i ponad 50 projekcji, ponad 60 wystaw i blisko 40 audycji radiowych i telewizyjnych (głównie w stacjach lokalnych).
W panteonie wielkich Polaków
Wyjątkowość prof. Jana Czochralskiego polega między innymi na tym, że łączył w sobie dwie, rzadko idące ze sobą w parze,cechy: naukowca i praktyka. W uznaniu wielkich zasług dla nauki światowej, których zastosowanie w praktyce zmieniło oblicze współczesnej cywilizacji, w październiku 2011 roku wpisano profesora Jana Czochralskiego, jako wybitnego Polaka, do Panteonu Wynalazców i Odkrywców Polskich. Gdyby powojenne losy Profesora potoczyły się zwyczajnie, zapewne byłby polskim kandydatem do Nagrody Nobla – taką opinię można usłyszeć w środowisku współczesnych polskich krystalografów. Ale był też profesor wzorem obywatela, autorytetem, jednym słowem postacią, którą można i należy się chlubić. „Powrót” to słowo-symbol, które znalazło się w tytule biografii Jana Czochralskiego pióra Pawła E. Tomaszewskiego. Ten powrót naszego wielkiego uczonego do świadomości współczesnych Polaków musi wciąż trwać.
***
Życie i dokonania prof. Jana Czochralskiego znamy głównie dzięki tytanicznej pracy współczesnego polskiego naukowca –
dr. Pawła E. Tomaszewskiego z Polskiej Akademii Nauk - który od kilkudziesięciu lat zajmuje się badaniami biograficznymi dotyczącymi słynnego rodaka, poszukując informacji o nim w archiwach na całym świecie i udostępniając wyniki swej pracy w kolejnych książkach, artykułach i wykładach. Dziękuję dr. Pawłowi Tomaszewskiemu za udostępnienie materiałów ikonograficznych oraz cenne uwagi dotyczące niniejszego tekstu.
Bibliografia
• http://www.computerhistory.org
• https://www.nauka.gov.pl/
• http://naukawpolsce.pap.pl/
• https://www.wikipedia.org/
• Anna Pajączkowska, Ewa Talik, Mirosław Nader: Jan Czochralski prekursor współczesnej elektroniki. Warszawa 2013
• Paweł E. Tomaszewsk: Jan Czochralski – historia człowieka niezwykłego. Prace Komisji Historii Nauki PAU XIII, ss. 57–72.
Publikacja dostępna w Internecie: http://pau.krakow.pl/PKHN-PAU/PKWN-pau-XIII-2014-4.pdf.
• Paweł E. Tomaszewski: Powrót. Rzecz o Janie Czochralskim, Wrocław 2012