VIVOS VOCO: В. Станцо, "Монокристаллы сегнетовой соли"

В конце войны я был пацаном. Жили как жили. Важнейшим атрибутом тогдашнего бытия были репродукторы: вытянутые четырехугольные рупоры на столбах - репродукторы уличные - и круглые из плотной черной бумаги репродукторы домашние, больше всего похожие на конические шляпы вьетнамских крестьян... Но тогда они нам напоминали тарелки.

Как средство информации, как инструмент культуры репродукторы военного времени значили не меньше, чем нынешние телевизоры и радиоприемники, вместе взятые. Через них входили в головы и сердца и торжественный баритон Левитана, и позывные "Красноармейского радиочаса", и талантливейшие песни Великой Отечественной войны.

Мы жили на Петровке. Почти напротив - забор, отгораживавший тротуар от руин - бывшего дома, разрушенного фугаской. Сейчас на этом месте сквер... Но даже здесь, в самом центре Москвы, умолкший вдруг репродуктор воспринимался как потеря. Когда вышла из строя привычная черная "тарелка", отец принес откуда-то коробку с розово-серым пластмассовым ящичком. Новый репродуктор казался страшно непрочным, но "играл" явно чище старого. Сделали для него специальную полочку, берегли как зеницу ока, пылинки сдували, тем более что он и "с лица" был хорош: на передней панели в левом нижнем углу небольшая звездочка наподобие красноармейской и расходящиеся от нее лучи. Мог ли я тогда предположить, что почти через сорок лет увижу фотографию такого же репродуктора в личном архиве известного ученого-кристаллографа доктора геолого-минералогических наук Николая Наумовича Шефталя...

Документ, датированный 13 июня послевоенного 1947 года. Справка на бланке Института кристаллографии Академии наук СССР, подписанная Алексеем Васильевичем Шубниковым, чье имя теперь носит этот институт:

"В 1934 г. по инициативе Н.Н. Шефталя и Институте кристаллографии АН СССР начаты работы по разработке метода получения монокристаллов сегнетовой соли в заводском масштабе, и к началу войны ему удалось разрешить эту проблему. С начала войны эта работа получила большой размах - были организованы два специальныx завода..."

Прервем цитату, чтобы "столкнуть" ее с другой: десять лет назад в "Химии и жизни" (1974, № 12) была помещена статья, посвященная веществу, упомянутому в документе. Она называлась "Сегнетова соль - золотая жила для физиков". Казалось бы, претенциозный заголовок, но он был оправдан:

"Сегнетова соль оказалась золотой жилой для физиков". Эти слова сказаны академиком А.П. Александровым на вечере памяти И.В. Курчатова. И это закономерно: один из этапов научной деятельности И.В. Курчатова был связан с сегнетовой солью.

Еще в тридцатых годах Игорь Васильевич Курчатов стал одним из крупнейших наших специалистов по сегнетоэлектрикам, дал первое теоретическое обоснование этого явления, а в 1933 г. выпустил монографию "Сегнетоэлектрики" - первую в своем роде. Но что такое сегнетоэлектрики? И вообще, почему целый раздел физики XX века назван по имени аптекаря из Ла-Рошели, жившего в XVII веке?

Фрагмент энциклопедической статьи:

"Сегнетова соль - двойная соль винной кислоты KOOC(CHOH)₂COONa x 4H₂0, названная в честь открывшего ее (1655) французского аптекаря Э. Сеньета (Е. Seignette, 1632-1698): бесцветные кристаллы, разлагающиеся при 55,6°С, хорошо растворимые в воде (1390 г/л при 30°С)..."

Набор свойств, если вдуматься, технически явно непривлекателен. Кристаллы - термически нестойкие, да еще водой, даже атмосферной влагой, уничтожаемые. Но зато есть у них другие - тоже физические - свойства, которые и превратили эту нехитрую соль в материал для многих хитрых технических устройств. Сегнетова соль - отличный пьезоэлектрик и, как это следует из названия, сегнетоэлектрик. Суть пьезоэффекта (греческое "пьезо" означает "сжимаю") в образовании на поверхности монокристалла (или определенным образом вырезанной из него пластинки) электрических зарядов под действием механических воздействий. И напротив, стоит к таким пластинкам подвести электрический ток определенной частоты, как они начинают колебаться. У сегнетовой соли этот эффект выражен в три тысячи раз сильнее, чем у такого классического пьезоэлектрика, как кварц. Ультразвуковой локатор П. Ланжевена стал первым важным прибором, действие которого основано на пьезоэффекте. А сегнетоэлектриками называют кристаллы, у которых возникает самопроизвольная или, как ее чаще называют, спонтанная электрическая поляризация. Для этих кристаллов характерна высокая чувствительность к небольшим изменениям внешних условий - электрического поля, температуры, упругих напряжений. В зависимости от них изменяется и величина поляризации.

Еще до войны в США на основе сегнетовой соли было налажено производство важных технических устройств - микрофонов и телефонов, адаптеров, слуховых аппаратов. Фирма "Браш" взяла патент на изготовление и промышленное использование пьезокристаллов сегнетовой соли.

У нас эти кристаллы до 1932 г. в небольших масштабах выращивали на "фабрике кристаллов" ленинградского Физико-технического института. Там впервые выращены многие монокристаллы. Превратить мелкие кристаллики сегнетовой соли в крупный и совершенный монокристалл очень сложно. У каждого вещества своя специфика - свои условия выращивания. У сегнетовой соли тоже. Промышленные методы выращивания таких кристаллов, разработанные в Лаборатории кристаллографии АН СССР в предвоенные и военные годы, стали основой промышленного производства многих приборов, необходимых армии, флоту и технике, отнюдь не военной. В частности, в небольшом репродукторе, с воспоминания о котором начаты эти заметки, работала, по-видимому, пластинка, вырезанная из кристалла сегнетовой соли.

Рассказывает профессор Н.Н. Шефталь.

В 1935 г. аспирантом Московского геологоразведочного института я пришел в кристаллографический сектор Ломоносовского института геохимии, минералогии и кристаллографии, из которого вскоре выделилась Лаборатория кристаллографии АН СССР, впоследствии переросшая в институт. Пришел с желанием работать только по росту кристаллов. Алексей Васильевич Шубников, руководивший этим сектором, предложил мне организовать лабораторию кристаллизации из растворов. Предоставил для нее подвал площадью около 70 кв.м, в котором стояли шесть емкостей черного железа - огромных, прямоугольных. Их предстояло превратить в термостаты (обычно же термостаты делали стеклянными). Термостаты были необходимы для выращивания кристаллов в строго контролируемых условиях. В термостат помещают банки-кристаллизаторы, каждому монокристаллу - свой кристаллизатор.

В качестве диссертационной темы Алексей Васильевич предложил мне разработку метода выращивания монокристаллов сахарозы. Да-да, обыкновенного сахара! В виде монокристалла он обладает пьезоэлектрическими свойствами, в полтора раза более сильными, чему пьезокварца. У А.В. Шубникова была красивая идея - заменить кристаллами сахара дефицитный тогда кварца приборах для стабилизации радиоволн. Полагали, что экспериментальная работа займет два-три месяца - вышло иначе. Четыре долгих года прошло, прежде чем научились и стали получать большие и однородные монокристаллы сахарозы. Перекристаллизовали в общей сложности больше двух тонн сахара. Сладкие растворы, заметим, после однократного использования отправляли в столовую...

Сумели, наконец, получить что хотели и убедились одновременно, что слишком сложное это дело и что пьезокварца монокристаллы сахарозы не заменят. Но если не сахар, то что тогда?

Было известно, что у сегнетовой соли (в виде монокристаллов) пьезоэлектрические свойства выражены значительно сильнее, чем у кварца, в 3000 раз. Но как их выращивать? Фирма "Браш" хранила свои секреты, а в нашей стране монокристаллы сегнетовой соли раньше растили лишь для исследований. Мы же не могли не думать о приближающейся к нашему дому войне...

Эта работа, хотя вели мы ее по-прежнему вдвоем с лаборанткой, продвигалась намного быстрее, чем с сахарозой. Прежде всего потому, что уже был опыт. Уже через полтора годы был разработан метод получения монокристаллов сегнетовой соли весом до двух килограммов. Метод был статическим, т.е. раствор не перемешивался. Однако условия были подобраны так, что большие кристаллы вырастали не за полгода, как в Физтехе, а всего за 4-6 недель.

Шел 1940 год, уже началась вторая мировая война... С нашими кристаллами пошел я к одному из вице-президентов Академии наук - хлопотать об организации хозрасчетной мастерской по выпуску таких кристаллов, однако идею не поддержали. По разным причинам. Тогда созвали совещание представителей заинтересованных организаций: Радиокомитета, Института связи, Лаборатории звукозаписи и лаборатории одного из трестов Наркомата электропромышленности, работавшей на нашей академической территории. Я показал кристаллы и адаптеры, рассказал о свойствах и возможностях монокристаллов сегнетовой соли... И все же у большинства участников совещания остались сомнения. Больше всего смущала растворимость. Однако после этого совещания при лаборатории треста была организована специальная группа сегнетовой соли под моим началом.

Одним из первых ее работников стал студент-дипломник Института связи Аркадий Сергеевич Шеин, впоследствии доктор наук, человек талантливый и изобретательный. Он быстро решил две важные задачи - предохранение кристаллов от атмосферной влаги (пластины, вырезанные определенным образом из монокристаллов, .заклеивали в целлулоид) и съем с них электрических зарядов (с помощью тончайшей серебряной фольги). Разрезали кристаллы на пластины прочной мокрой нитью. Позже, уже в годы войны, были сделаны многониточные пилы для кристаллов сегнетовой соли и других водорастворимых веществ. Руководил этой работой Федор Семенович Савкин, а первый распилочный станок сделал Иван Дмитриевич Митькин. Их обоих, как, впрочем, и А.С. Шеина, уже нет в живых.

Из этих пластин еще до войны были сделаны первые пьезоэлементы для приборов военного назначения.

Фрагмент статьи Н.Н. Шефталя, опубликованной в "Трудах Института кристаллографии Академии наук СССР", 1948, вып. 4:

"Начатые в 1939 г. исследования позволили быстро разработать годный для производства статический метод получения однородных монокристаллов сегнетовой соли. Кристаллы весом до 1,4 кг получались за 40 дней. В 1940 г. работы приняли полузаводской характер, а в 1941 г. был организован завод".

Началась война - потребность в пьезоэлектрических приборах резко возросла. Пластинки сегнетовой соли могли работать в средствах оперативной связи, не нуждающихся в источниках энергии. Мембраны с такими пластинами вделывали в шлемофоны танкистов и летчиков. Был разработан и пьезоэлектрический телефон, состоящий, по существу, из одной трубки, - и тоже без каких бы то ни было батарей. В трестовской лаборатории уже не хватало ни материалов, ни рук. Не было никакой возможности расширить производство. Через технический отдел Наркомата вооружений Шефталь и Шеин сообщили о сложившейся ситуации в Государственный Комитет Обороны.

В то время решения принимались чрезвычайно быстро: в сентябре 1941 г. было решено организовать на базе двух лабораторий - академической и трестовской - завод, единственной продукцией которого должны были стать монокристаллы сегнетовой соли и пьезоэлектрические приборы на их основе. Директором завода был назначен Петр Григорьевич Поздняков. Шеин стал главным инженером, Шефталь - начальником цеха кристаллизации. Тут же были организованы мастерские, производящие сами приборы.

Узким местом этого производства оказались термостаты. Поздняков принял нетривиальное решение: новые были заказаны бондарной артели! Хорошо и быстро сработали бочкари. Вскоре двадцать новых термостатов по 700 литров каждый были установлены в помещении, отведенном под цех кристаллизации. Они были прежних размеров, но деревянные, что резко ускорило изготовление и к тому же упростило работу с ними, а в дальнейшем перевозку. К началу ноября, когда враг подошел вплотную к Москве, завод решено было перебазировать в Ташкент. Однако еще до этого с кристаллизаторов, помещенных в деревянные термостаты, был снят первый "урожай" - 329 кг монокристаллов сегнетовой соли.

К тому времени сотрудники Лаборатории кристаллографии Борис Владимирович Витовский и Георгий Федорович Добржанский уже разрабатывали новый, более быстрый динамический метод выращивания тех же кристаллов. По этому методу раствор в каждом кристаллизаторе перемешивается. В мае 1942 г. стали выращивать этим методом монокристаллы сегнетовой соли в Москве. А ташкентский завод в том же 1942 г. развернул .производство монокристаллов статическим методом. И в Ташкенте, и в Москве делали не только кристаллы, но и приборы на их основе. В общей сложности за годы войны выращено 54 тонны монокристаллов сегнетовой соли. Молодые инженеры-химики Николай Николаевич Васильев и Евгений Константинович Моралев возглавляли работу по выращиванию кристаллов в Ташкенте после того, как Н.Н. Шефталь ушел на фронт. Директором ташкентского завода в 1942 г. стал Афанасий Фролович Леонов.

Позже, уже после войны, и статический, и первый динамический методы выращивания монокристаллов сегнетовой соли из раствора были вытеснены новым, более быстрым и интенсивным: в растворе вращался сам кристалл и оттого рос значительно быстрее.

Выписка из документа первых послевоенных лет - докладной записки в один из наркоматов:

"...Обоими заводами, основным и опытным, во время войны были выпущены миллионы оборонных приборов: безбатарейных телефонов, приборов для подводной связи и локации, для обезвреживания неразорвавшихся бомб, ларингофонов для летчиков и танкистов, пьезоэлектрических взрывателей мгновенного действия, громкоговорителей для освобожденных районов..."

Здесь под основным подразумевается ташкентский завод, под опытным - московский.

Сегодня как технический пьезоэлектрик сегнетова соль уже утратила значение. На смену ей пришли другие - с лучшими свойствами. Но в трудные годы войны эти кристаллы помогли решить не одну оборонную проблему. А после войны приборы с пластинками из этих кристаллов помогали рыбакам искать косяки рыбы. Помогали накормить людей. И помогали информировать людей - в тех же массовых репродукторах. И помогали выращивать новые монокристаллы: опыт - ценность непреходящая.

А главное, производство монокристаллов сегнетовой соли стало вкладом кристаллографов Академии наук в общее дело Победы.