Monokryształy Jana Czochralskiego

Oto najczęściej cytowany polski uczony: prof. Jan Czochralski, twórca metody tworzenia monokryształów. Używanej do dziś!

prof. Jan Czochralski na zdjęciu z archiwum Ilustrowanego Kuriera Codziennego (ok. 1929 r.)

Jan Czochralski swoją karierę rozpoczynał w aptece "Pod Czarnym Orłem" w rodzinnym mieście Kcynia, gdzie zdobył pierwsze szlify chemika. W 1896 roku wyjechał do Berlina – najbliższego miasta uniwersyteckiego. Tam również zatrudniony był w aptece, a następnie fabryce chemicznej oraz w laboratorium metalurgicznym koncernu AEG. To tam pracował nad sposobem pomiaru szybkości krystalizacji. Wielkość ta jest ważną właściwością metali. Pewnego wieczoru w 1916 roku młody chemik Jan Czochralski, sporządzając notatkę z eksperymentów, przez pomyłkę zanurzył stalówkę w pojemniku ze stygnącą cyną zamiast w kałamarzu z atramentem. Wyciągnął pióro i ze zdziwieniem zauważył wiszący na nim zestalony drucik. Czochralski nie powrócił do pisania, zaczął eksperymentować, zmieniając szybkość wyciągania stalówek z tygla z roztopionym metalem i badał właściwości otrzymanych w ten sposób kryształów.

Szkic eksperymentu z cyną i stalówką

Dotychczasowa interpretacja wydarzenia, jak pisze P. E. Tomaszewski, opierała się na trzech faktach:

  • zjawisko odkryte przez Czochralskiego nie występuje w przyrodzie;
     
  • musiał to być wielki zbieg okoliczności, że w jednym momencie Czochralski zanurzył pióro w stygnącej cynie, która chwilę wcześniej byłaby zbyt płynna, a niedługo później zbyt twarda, aby zjawisko krystalizacji zostało wygenerowane w szparce stalówki;
     
  • Czochralski nie wyrzucił zniszczonej stalówki, ale dostrzegł w wyciągniętej nici metalu to, czego szukał. To właśnie błyskotliwość umysłu pozwoliła chemikowi–metaloznawcy na dokonanie odkrycia oraz jego poprawną analizę.
     

Dziś wydaje się, że odkrywczość Czochralskiego nie wynikała tylko z samej jego genialności. W roku 2013 profesor Roman Kaliszan zwrócił uwagę na inną możliwą przyczynę poprawnej analizy tego zjawiska. Przypomniał, że Czochralski miał bogatą praktykę aptekarską. Profesor Kaliszan przedstawił hipotezę o inspirującej roli doświadczenia chemicznego w otrzymywania monokryształów nowoodkrytą przez Czochralskiego metodą. Było to zgodne z wcześniejszymi sugestiami doktora Jana Majewskiego z apteki „Pod Złotym Lwem” w Poznaniu. Czochralski, pracując w aptece, musiał rutynowo badać podstawowy w owych czasach składnik leków, a mianowicie wazelinę. Test, który pozwalał odróżnić dobre gatunki wazeliny od gorszych polegał na tym, że dobre gatunki wazeliny po krystalizacji tworzą tzw. mikrokrystaliczne trychity. To sprawia, że dobre wazeliny można „wyciągać w nitki”. Czochralski mógł zatem dostrzec podobieństwo zachowania wazeliny w teście trychitowym, do tego, co zaobserwował z cyną. Czy zatem był to kluczowy moment odkrycia Czochralskiego?

Próba trychitowa wazeliny

Próba trychitowa wazeliny – czy to była inspiracja dla Czochralskiego?

Metoda Czochralskiego polega na ostrożnym „wyciąganiu” monokryształów metali z roztopionego metalu za pomocą pręta dotykającego jego powierzchni. Pierwsze kryształy wytworzone przez niego przypominały metalowe druty; miały milimetr średnicy i długość około jednego metra. Obecnie jego metodą produkuje się kryształy krzemu i materiałów półprzewodnikowych – kluczowych elementów w elektronice.

Schemat metody tworzenia monokryształów prof. Czochralskiego

Schemat metody tworzenia monokryształów prof. Jana Czochralskiego

Znaczenie wynalazku Jana Czochralskiego jest ogromne i wciąż wzrasta. Świadczy o tym liczba publikacji naukowych odwołujących się do jego prac - profesor jest najczęściej cytowanym polskim uczonym.

Kryształy (i nie tylko) obejrzysz na żywo w naszym nanolaboratorium dostępnym w Centrum Nauki i Techniki EC1 na ekspozycji "Mikroświat - makroświat".

Małgorzata Kuligiewicz, Ewelina Niedzielska