Главная » Память

Пьезоэлектрики для Победы

Мы попытаемся «оживить» одну из страниц истории, 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 плохое техническое обеспечение войсковой связи. 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. То, что это сегнетова соль, быстро определили на кафедре кристаллографии по ее оптическим свойствам. В разработке методов диагностики кристаллов таким путем без их химического анализа кафедра имела свои заслуги. Они принадлежали заведовавшему в то время кафедрой профессору О.М.Аншелесу, а затем — В.Б.Татарскому. Татарскому же принадлежит и уникальный учебник по кристаллооптике, которым пользуются до сих пор. 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 военного 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. А.А.Штернберга даже отозвали из армии в конце сентября 1941 г. для этой работы. 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. 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. 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-е годы кафедру кристаллографии ЛГУ посетили двое немецких ученых из ГДР в сопровождении переводчика из посольства. Они просили поделиться секретом скоростного выращивания кристаллов этого вещества. На вопрос о немецкой технологии, ведь были же кристаллы, они ответили, что в 1945 году все оборудование и технология синтеза были вывезены из Германии западными победителями, поэтому Германия начинает разработки с нуля. Мы подарили 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 работы с сегнетовой солью и больше ее выращиванием у нас не занимались. Этот эпизод поучителен. Университетская кафедра — это опытная научная лаборатория, где каждый сотрудник может развивать свое направление исследований. Рассказанная история показывает, как важно поддерживать в Университенте энтузаистов и все их «чудачества».

Е.Б.Трейвус, С.К.Филатов

Новости СПбГУ