Z cyklu: „Cudze chwalicie, swego nie znacie. Polskie wynalazki”. – Metoda Czochralskiego

Dzisiaj opowiem o technologii otrzymywania monokryształów, którą pierwszy w świecie opracował polski chemik prof. dr. h.c. Jan Czochralski, naukowiec Politechniki Warszawskiej.

Istota „Metody Czochralskiego”

   Technologia otrzymywania monokryształów, jaką opracował prof. dr. honoris causa Politechniki Warszawskiej – Jan Czochralski w roku 1916 została nazwana „Metodą Czochralskiego”. Dopiero w latach 50. XX wieku uczeni niemal całego świata zaczęli korzystać z jego najważniejszego wynalazku. Przyniosło to sławę twórcy i zainteresowanie jego osobą. Po upływie prawie stu lat, mimo opracowania innych technologii, „Metoda Czochralskiego” dominuje w laboratoriach i fabrykach całego świata. Dzisiaj wytwarza się kryształy krzemu o wadze nawet kilkudziesięciu kilogramów i kilkudziesięciu centymetrów średnicy (fot. 2.).
 

Zarys technologii otrzymywania monokryształów

   Jest najstarszą, najlepszą i jedną z najpowszechniej stosowanych metod produkcji monokryształów metali i ich stopów na świecie. Polega ona na powolnym, stopniowym wyciąganiu z roztopionego materiału zarodka krystalicznego w sposób zapewniający kontrolowaną i stabilną krystalizację na całej jego powierzchni. Schemat tej metody przedstawia poniższy rysunek.
 

   Proces krystalizacji na powierzchni zarodka odbywa się najczęściej z wprawionym w ruch obrotowy tyglem, w celu polepszenia warunków transportu masy i energii cieplnej. To sposób otrzymywania dużych kryształów półprzewodników, na przykład krzemu lub arsenku galu. Mały zarodek kryształu ze stałą, bardzo małą prędkością jest wyciągany z tygla, który zawiera stopioną substancję. Podczas takiego wyciągania, kolejne warstwy atomów dołączają do zarodka, „oblepiają” go, zastygają na nim i powiększają jego masę. W ten sposób tworzy się coraz większy, idealny kryształ. W rezultacie otrzymuje się cylindryczny monokryształ o orientacji krystalograficznej zarodka, to znaczy taki, którego struktura krystalograficzna jest idealnie jednakowa w całej jego masie. Wymiary, a więc średnica i długość oraz kształt hodowanego kryształu są kontrolowane poprzez prędkość przesuwu i prędkość obrotową zarodka, jednakże ograniczone parametrami zastosowanego układu technologicznego.

   Jednym z parametrów jest wysoka temperatura procesu, sięgająca nawet do 2000°C, a wytwarzana jest w piecach indukcyjnych. Elektryczne trójfazowe induktory tych pieców generują prądy indukcyjne wysokiej częstotliwości w przedziale od 2 kHz nawet do 5 MHz, które potrafią w kilkanaście sekund doprowadzić na przykład stal do przejścia w stan płynny, czyli stopienia. W zależności od krystalizowanego materiału, – do topienia stosuje się tygle wykonane z kwarcu, grafitu, azotku boru lub innego materiału żaroodpornego, ale nie wchodzącego w reakcję z krystalizowaną substancją. W celu zapewnienia czystości i zapobieżenia utlenieniu krystalizowanego pierwiastka, – proces przeprowadzany był pierwotnie w próżni, dzisiaj zaś w atmosferze gazu obojętnego, chociażby popularnego argonu (Ar), który tworzy wokół powstającego monokryształu osłonę nieprzepuszczającą tlen zawarty w powietrzu.

Zastosowanie monokryształów krzemu

   Tylko w materiale, który jest zbudowany z idealnej sieci krystalicznej, można zapanować nad zjawiskami elektrycznymi, które dzieją się w skali mikrometrycznej, tj. w przestrzeni liczącej kilka tysięcznych części milimetra. Duże kryształy krzemu i arsenku galu, czyli tzw. monokryształy, są tworzywem we współczesnej elektronice. Monokryształ, który przedstawiono na fotografii 2. tnie się na cieniutkie płytki, a na nich umieszcza tranzystory i ścieżki dla prądu. W ten sposób powstają układy scalone i procesory, które znajdują się w niemal wszystkich dzisiejszych urządzeniach AGD, komputerach i wszystkich urządzeniach „naszpikowanych” elektroniką w każdej dziedzinie przemysłu i w każdym gospodarstwie domowym na świecie.

   Ale jak to bywa w polskiej rzeczywistości, niemal każdy wynalazek, niemal każda biografia polskiego wynalazcy – muszą być okraszone pikantnymi szczegółami. Rzec by można, że… nie ma dymu bez ognia. Ten polski naukowiec został uznany za postać co najmniej kontrowersyjną, choć jego metoda nadal cieszy się sławą, bo nikt na świecie do dzisiaj nie wymyślił lepszej technologii otrzymywania monokryształów krzemu.

Rys biograficzny Jana Czochralskiego

   Jan Czochralski urodził się w Kcyni na Pałukach w wielodzietnej rodzinie rzemieślniczej Franciszka Czochralskiego i Marty z Suchomskich, jako ósme dziecko z dziesięciorga. Kcynia była wówczas pod zaborem pruskim. Ojciec prowadził zakład stolarski, robiąc meble domowe i trumny. Zgodnie z wolą ojca, ukończył Seminarium Nauczycielskie w Kcyni. Po otrzymaniu świadectwa, upewniwszy się u swojego profesora, że nie podlega już rygorom szkolnym,… podarł świadectwo mówiąc: „Proszę przyjąć do wiadomości, że nigdy nie wydano bardziej krzywdzących ocen”. Brak tego dokumentu zamknął mu w tamtym czasie drogę do dalszej kariery nauczycielskiej i naukowej, choć bardzo interesował się chemią.

   W 1904 roku wyjechał do Berlina i rozpoczął tam pracę w aptece i drogerii dr. A. Herbranda w Altglienicke, później w AEG-Kabelwerk Oberspree. Uczęszczał także na wykłady chemii specjalnej na Politechnice w Charlottenburgu pod Berlinem, jako wolny słuchacz. Na Uniwersytecie Berlińskim chodził na wykłady na wydziale sztuki. W 1906 roku rozpoczął pierwszą naukową pracę w laboratorium firmy Kunheim & Co, a rok później w Allgemeine Elektricitäts Gesellschaft, gdzie został kierownikiem badania stali i żelaza. Na Politechnice w Charlottenburgu uzyskał dyplom inżyniera chemika. Na Uniwersytecie Berlińskim poznaje Margueritę Haase, pianistkę pochodzącą z holenderskiej rodziny osiadłej w Berlinie, która w roku 1910 została jego żoną.

   W latach 1911-14 był asystentem Wicharda von Moellendorffa, z którym opublikował swoją pierwszą pracę naukową, poświęconą krystalografii metali, a dokładniej podwalinom późniejszej teorii dyslokacji atomów metali w siatce krystalograficznej. Największy jednak rozgłos przyniosła mu odkryta w 1916 roku metoda pomiaru szybkości krystalizacji metali, wykorzystywana obecnie do produkcji monokryształów krzemu. W 1917 roku przeniósł się do Frankfurtu nad Menem, gdzie został szefem laboratorium metaloznawczego Metallbank und Metallurgische Gesellschaft AG. W roku 1924 opatentował bezcynowy stop łożyskowy, który natychmiast znalazł zastosowanie w kolejnictwie. Stop zwany był w Polsce pod nazwą „metal B”, a produkował go Ursus. Ów stop spowodował rewolucję w kolejnictwie, dając ogromne oszczędności i niezawodność pracy zespołów składających się z wirujących wałów osadzonych w panewkach, wykonanych z „metalu B”. Wynalazek był bardzo ważny dla niemieckiej gospodarki, którą objęto zakazem importu cyny. Patent zakupiony został przez niemiecką kolej (Bahnmetal) oraz liczne państwa, w tym USA, ZSRR, Czechosłowację, Francję i Anglię. Metal B był wykorzystywany powszechnie do lat 60. XX wieku, a więc do czasu, kiedy to łożyska ślizgowe zastąpiono łożyskami tocznymi. Metal B pozwolił Czochralskiemu zostać bardzo bogatym człowiekiem.

   Młody Janek Czochralski bez reszty oddawał się swojej pasji – metalografii. Zajął się wprowadzaniem aluminium do elektroniki, a więc pionierską technologią produkcji blach, drutów i wyprasek aluminiowych. W 1924 roku został wiceprzewodniczącym, a rok później przewodniczącym Niemieckiego Towarzystwa Metaloznawczego. Jak ważne były jego osiągnięcia naukowe – niech świadczy fakt, że nie kto inny, jak sam Henry Ford – protoplasta i potentat przemysłu samochodowego USA zaproponował mu kierowanie pracami w laboratorium swojej firmy w Detroit, z czego Czochralski… nie skorzystał. Stwierdził bowiem, że powinien pracować na rzecz rozwoju polskiej gospodarki, nie zaś amerykańskiej, mimo iż pracował na uczelni niemieckiej.

   W roku 1925 otrzymał propozycję powrotu do Polski i objęcie katedry na Politechnice Warszawskiej. Po rozmowach między innymi z prezydentem RP – prof. Ignacym Mościckim, w 1928 r. powrócił do Odrodzonej Polski, rezygnując ze wszystkich pełnionych w Niemczech funkcji i odrzucając posadę dyrektorską w amerykańskich zakładach Forda. W 1929 roku otrzymał doktorat honoris causa i objął posadę profesora na Wydziale Chemii Politechniki Warszawskiej. Specjalnie dla niego została utworzona Katedra Metalurgii i Materiałoznawstwa, która bezpośrednio współpracowała z Ministerstwa Spraw Wewnętrznych. Katedrę wyposażono w najnowocześniejszy sprzęt, sfinansowany przez MSW, bowiem instytut ten wykonywał głównie zlecenia dla wojska. Profesor miał prawo zatrudniać tylu ludzi, ilu potrzebował. To wywołało niezadowolenie u kolegów profesorów, szczególnie prof. Witolda Broniewskiego, który prof. Czochralskiemu w przyszłości bardzo zaszkodził.

   Trudno jednoznacznie stwierdzić na podstawie dostępnej literatury, jaki był faktyczny powód powrotu naukowca do Polski. Według badań Stefana Bratkowskiego, Czochralski współpracował z polskim wywiadem wojskowym, a z Niemiec wyjechał z powodu grożącej mu dekonspiracji. Po powrocie do Polski zrzekł się obywatelstwa niemieckiego, by przyjąć polskie, ale zrzeczenie to nie było przez władze niemieckie respektowane. Czochralski był bogatym człowiekiem. Jak twierdził, – do Polski przywiózł ok. 1,5 miliona złotych. Kolejne patenty przynosiły mu dalsze dochody. Liczył sobie znaczne kwoty za konsultacje naukowe w Polsce i poza granicami. Kupił piękną willę w Warszawie przy ul. Nabielaka (koło Belwederu), zaś w Kcyni zainwestował w letnią rezydencję – willę „Margowo”, nazwaną na cześć jego żony. Ale swojego dużego kapitału nie pożytkował tylko dla swoich potrzeb. Umiał się nim dzielić z innymi. Fundował bowiem stypendia dla zdolnych i biednych studentów, wspomagał finansowo rekonstrukcję dworku Chopina w Żelazowej Woli, współfinansował wykopaliska w Biskupinie, współfinansował prace odkrywkowe ropy w rejonie Kcyni. W willi na Nabielaka Czochralscy prowadzili salon literacki. Profesor pisał także poezję, kolekcjonował dzieła sztuki i udzielał się społecznie. Zatem nie był on naukowcem tzw. koniem z klapkami, który poza swoją pracą w instytucie nic nie widział. Miał on – jak widać – szerokie horyzonty w życiu intelektualnym. Bywał na salonach osób wpływowych, polityków, artystów i intelektualistów. Także przyjaźnił się z ówczesnym prezydentem RP – prof. Ignacym Mościckim.

   W roku 1934 popadł w dalszy konflikt z prof. Witoldem Broniewskim, który zarzucał mu czerpanie korzyści majątkowych z „nieudolnego wynalazku”, z działalności społecznej oraz sprzedanie polskiemu wojsku i kolejom złego stopu w celu sabotażu na rzecz Niemiec. Zarzucał też, że „stop B” ma gorsze właściwości niż inne stopy i nie nadaje się do stosowania w komunikacji. Broniewski konkludował, iż Czochralski działał na szkodę polskiego przemysłu zbrojeniowego tym samym państwa polskiego. Broniewski twierdził, że Czochralski „z ducha jest raczej Niemcem niż Polakiem” i dlatego nie powinien być szefem Instytutu Metalurgii i Metaloznawstwa na Politechnice Warszawskiej. Wówczas Czochralski nazwał Broniewskiego wrogiem państwa polskiego. Adwersarze spotkali się na pojedynku. Literatura nie podaje, jaki był rezultat tego pojedynku. Podaje natomiast, że później spotkali się w sądzie. Proces przerodził się w spór nad polskością Czochralskiego. Szczególnie drażliwa okazała się sprawa niemieckiego obywatelstwa Czochralskiego.

   Po powrocie do Polski profesor podpisał deklarację, że z chwilą objęcia katedry zrzeka się obywatelstwa niemieckiego, co też uczynił i złożył stosowne dokumenty. Ale sprawa zmiany obywatelstwa okazała się skomplikowana, ponieważ Czochralski był związany kontraktami i patentami jako obywatel Niemiec. Ze względu na sprawy finansowe, kapitały w Niemczech i nieruchomości, jemu samemu nie zależało na przyspieszeniu zmiany obywatelstwa. Niemcy odwlekali ze zwolnieniem z obywatelstwa. Procedury z Niemcami w tych sprawach w tamtym czasie trwały nawet 10-15 lat. Utrata obywatelstwa niemieckiego oznaczała problemy dewizowe i uszczuplenie dochodów. Zeznawali w procesach na jego rzecz: minister oświaty Świętochowski, prezydent Mościcki, także oficerowie wywiadu. Ostatecznie spór zakończył się w połowie lat 30. procesami o zniesławienie, które wygrał Czochralski. Sąd skazał prof. Broniewskiego na dwa miesiące aresztu w zawieszeniu i 500 zł grzywny. Czochralski wygrał, lecz część środowiska akademickiego nigdy mu tego zwycięstwa nie wybaczyła.

   Przed rozpoczęciem II wojny światowej Czochralski nie wychodził praktycznie z Ministerstwa Spraw Wewnętrznych. Wojna przerwała jego działalność naukową. Po wejściu Niemców do Polski podejmuje decyzje, które przez dziesięciolecia będą atrybutem jego przeciwników. Pod koniec 1939 roku uzyskał od Niemców pozwolenie i uruchomił w Warszawie Zakład Badań Materiałów na bazie przedwojennego instytutu Politechniki. Nastąpiło to za zgodą władz konspiracyjnych Politechniki i miało na celu ochronę pracowników uczelni i wyposażenia. W następnym okresie okupacji powstały kolejne zakłady wzorowane na zakładzie Czochralskiego. Zakład wykonywał zadania na rzecz instytucji cywilnych, a także dla Wehrmachtu. Zakład zatrudniał wielu żołnierzy Armii Krajowej, w którym wykonywano także nielegalnie prace dla podziemia. Między innymi odlewano w nim granaty żeliwne z części zbadanych fragmentów niemieckich rakiet V-1, części do maszyn drukarskich i pistoletów, a sam Czochralski sabotował produkcję dla Wehrmachtu oraz składał meldunki wywiadowi AK. W zakładzie niszczono także przez przetopienie części elektryczne rakiet V-1 i V-2 po zbadaniu ich przez prof. Janusza Groszkowskiego. Jan Czochralski wykorzystywał też swoje osobiste kontakty z Niemcami do wydobywania ludzi z więzień i ratowania zbiorów muzealnych. Dzięki jego interwencji zwolniono z obozów koncentracyjnych profesorów Mariana Świderka i Stanisława Porejko. Pośrednikiem była jego córka Czochralskiego – Leonia, która przyjaźniła się z córka szefa Urzędu Bezpieczeństwa Rzeszy. Czochralski wyciągnął więzionych na Gestapo około 50 osób. Pomógł także wnukowi Ludwika Solskiego, doktorowi Marianowi Świderkowi – ojcu prof. Anny Świderkówny.

   Profesor dalej mieszkał przy ulicy Nabielaka, będącej w czasie okupacji w dzielnicy niemieckiej. Spotykał się z Niemcami, jednak w jego domu odbywały się nadal spotkania tzw. czwartków literackich, w których brali udział; Wacław Berent, Ludwik Solski, Leopold Staff, Alfons Korny, Juliusz Kaden-Bandrowski, Adolf Nowaczyński, Kornel Makuszyński. Podczas okupacji Czochralski używał imienia Johann i był przez Niemców traktowany jako obywatel III Rzeszy. W pierwszych dniach wojny profesor stracił brata Kornela, rozstrzelanego pod Poznaniem, który prowadził nauczanie, o czym naukowiec dowiedział się na początku 1940 r. Po powstaniu warszawskim uzyskał zezwolenie na wyjazd do Warszawy, skąd wywoził mienie wypędzonych, a z Politechniki aparaturę.

   Koniec wojny oznaczał dla profesora nowe kłopoty. Ówczesny prokurator apelacyjny w Warszawie wydał postanowienie o aresztowaniu. 7 kwietnia 1945 roku został aresztowany jako „niejaki Jan vel Johan Czochralski, obywatel Rzeszy, dawny honorowy profesor Politechniki Warszawskiej" pod zarzutem „współpracy z niemieckimi władzami okupacyjnymi na szkodę osób spośród ludności cywilnej, względnie Państwa Polskiego”. Od 18 kwietnia 1945 spędził cztery miesiące w więzieniu w Piotrkowie Trybunalskim do 14 sierpnia 1945. Mimo tak poważnych oskarżeń, Specjalny Sąd Karny w Łodzi na rozprawie w dniu 13 sierpnia 1945 r. uniewinnił go od stawianych zarzutów. W procesie zeznawał Ludwik Solski. Pomimo tego Senat (10 profesorów) Politechniki Warszawskiej odmówił przyjęcia go do pracy uchwałą z 19 grudnia 1945 roku. W ten sposób wykluczono go ze środowiska i skazano na zapomnienie. Czochralski nie mógł się bronić. Przecież nie mógł ujawnić współpracy z AK, za którą groziło kilkuletnie więzienie UB. Wrócił do Kcyni i założył Zakłady Chemiczne BION, produkujące różnego rodzaju wyroby kosmetyczne i drogeryjne, w tym znany „proszek od kichania z Gołąbkiem”.

   Zmarł w Poznaniu 22 kwietnia 1953 roku po rewizji Urzędu Bezpieczeństwa w jego willi w Kcyni. Przyczyną śmierci był atak serca. Został pochowany na starym cmentarzu w rodzinnej Kcyni, ale dopiero w 1998 roku na anonimowym grobie umieszczono tablicę z nazwiskiem.

   Pierwsze próby rehabilitacji profesora na PW w 1984 r. zakończyły się fiaskiem. Przy drugim rozpatrywaniu w 1993 r., Senat PW stwierdził, że dokonania Czochralskiego są olbrzymie ale nie widzi potrzeby i możliwości uchylenia uchwały z 19 grudnia 1945 r. Politechnika Warszawska otrzymała od prokuratur okręgowych w Warszawie, Łodzi i Wrocławiu oraz Głównej Komisji Badania Zbrodni Hitlerowskich informację, że nie istnieją żadne dowody na kolaborację Czochralskiego. Potwierdziły to także archiwa sądu podziemnego Armii Krajowej. W lutym 2011 r. rektor Uczelni prof. Włodzimierz Kurnik postanowił sięgnąć do dokumentów i definitywnie rozstrzygnąć spór o profesora. Pod kierownictwem prof. Mirosława Nadera poszukiwano dokumentów w archiwach. W maju 2011 w Archiwum Akt Nowych odnaleziono meldunek Czochralskiego do komendy Głównej AK. Dokument składa się z dwóch kartek i nosi datę z czerwca 1944 r. Na stronie pierwszej jest napis przesyłam informację od prof. Czochralskiego. Druga to spisany raport do Oddziału II KG AK. Autor podaje, że na terenie zakładu są tartaki i hale kryte drewnem, co ułatwia pożar. Doradza jednak opanowanie, w stosownej chwili, tych magazynów z najrozmaitszym wysokowartościowym sprzętem. 29 czerwca 2011 roku Senat Politechniki Warszawskiej ogłosił rehabilitację Czochralskiego.

   W konkluzji chciałoby się napisać wiele gorzkich i ostrych słów pod adresem tych, którzy w historii Polski podtrzymują niechlubne tradycje w obszarze traktowania polskich wynalazków, techniki i polskich wynalazców. Ale ich nie napiszę, bo w moim słowniku pozostały tylko… same bardzo ostre.

Satyr
_______________________
Przygotowując materiał, posiłkowałem się:
1) Tomaszewski P., Jan Czochralski i jego metoda (ang. Jan Czochralski and his method), Oficyna Wydawnicza ATUT, Wrocław–Kcynia 2003.
2) Epilog (pol.).janczochralski.com.pl.
3) Dramat wojenny (pol.). janczochralski.com.pl.
4) Rybak A., Metoda profesora Czochralskiego, Rzeczpospolita, Plus Minus, 16.07.2011.
5) Zajączkowska A., Jan Chochralski achievements – wykład, Międzynarodowe Sympozjum, Toruń i Kcynia, 26-27.04.2003.