VIVOS VOCO: С.М. Стишов, "История открытия"

История открытия

С.М. Стишов

Доклад на выездной научной сессии Отделения общей физики и астрономии Российской академии наук, посвященная 40-летию открытия плотной фазы кремнезема (стишовита). Сессия состоялась 31 октября 2001 г. в конференц-зале Института физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН (г. Троицк, Московская область). Опубликовано в журнале "Успехи физических наук", Том 172. № 4. С. 473-475 (2002).

В жизни ученого случайность и необходимость зачастую переплетены самым причудливым образом. Вот почему всегда интересно и иногда поучительно изучать историю значительных работ, открытий и изобретений. Однако история учит нас, что научиться делать открытия невозможно, просто увлеченный и интенсивно работающий человек имеет больше шансов на открытие чего-то нового.

Давайте вернемся в 1960-1961 гг., и я расскажу об открытии плотной фазы кремнезема. Эта история, возможно, является хорошей иллюстрацией для обсуждения проблемы случайности в научных исследованиях.

Весной 1960 г. я закончил геологический факультет МГУ, кафедру геохимии. К моменту окончания университета у меня были опубликованы три статьи, и мне предложили поступить в аспирантуру. Заведующим кафедрой геохимии в то время был академик А.П. Виноградов, и он же, как правило, был официальным руководителем почти всех аспирантов кафедры. При обсуждении предполагаемой темы диссертационной работы А.П. Виноградов отверг мое предложение о том, чтобы продолжить мои студенческие исследования природы окраски амазонита, заявив при этом: "Зачем Вам быть узким специалистом, ищите другую тему". По-видимому, это и был критический момент всей истории. Право выбора было предоставлено мне самому. В это время нас, студентов-геохимиков, очень интересовала роль давления при образовании горных пород и минералов. Как-то, просматривая журнал Geochim. et Cosmochim. Acta. я обратил внимание на одну из статей австралийца А. Рингвуда, посвященную внутреннему строению Земли. Я не знакомился детально с этой статьей, но запомнил, что там идет речь о фазовых переходах под действием давления. Но самое главное, что, если ранее я как-то безотчетно считал, что проблема внутреннего строения Земли совершенно недоступна обыкновенному человеку, то после просмотра статьи А. Рингвуда это чувство исчезло.

После разговора с А.П. Виноградовым я вспомнил об этой статье, отправился в библиотеку, просмотрел еще раз доступную литературу, и в итоге как-то возник интерес к этой совершенно новой для меня области. Тема, связанная с внутренним строением Земли, меня привлекала и пугала одновременно. Я уяснил, что одна из главных проблем - это природа так называемой переходной зоны на глубинах порядка 400-900 км, получил представление о текущих идеях (фазовые переходы кварц - коэсит, оливин - шпинель и т.д.). Мне сильно помогло то обстоятельство, что практически все студенческие годы я тратил свою стипендию на научную литературу, причем я делал это с достаточным размахом, не ограничиваясь текущими интересами. В итоге, в моей личной библиотеке оказалось достаточно литературы, чтобы получить представление о моей возможной деятельности.

Было ясно, что я должен искать лабораторию, которая была бы оснащена необходимым оборудованием высокого давления, а поскольку речь шла о давлениях порядка десятков тысяч атмосфер, я должен идти к людям, которые делают алмазы,

Я знал, что в Москве существует Институт физики высоких давлений, директором которого был Л.Ф. Верещагин. Я вспомнил, что на четвертом курсе университета мы, студенты, настояли, чтобы в спецкурс по термодинамике был включен раздел о влиянии высоких давлений на вещество и химическое равновесие. Этот раздел читал Я.А. Калашников, доцент кафедры физики и химии высоких давлений химического факультета МГУ, которой с незапамятных времен руководил Л.Ф. Верещагин. Он-то и организовал мне встречу с Л.Ф. Верещагиным. К моему удивлению, едва я объяснил, кто я и что я, Л.Ф. Верещагин принял мгновенное решение. Он сказал, что на кафедре стоит так называемая тетраэдрическая установка, недавно привезенная из института, которая в принципе способна генерировать около 100 кбар, и я могу принять участие в ее доводке, а потом и работать на ней. Итак. ситуация как будто бы определилась. Общее направление диссертационной работы - экспериментальные исследования при сверхвысоких давлениях. Найдено место, где эти исследования можно проводить, - кафедра физики и химии высоких давлений МГУ. Научный руководитель - академик А.П. Виноградов. В это время я, по-видимому, уже открыл для себя известную работу гарвардского геофизика Френсиса Берча. опубликованную в 1952 г. Этого было вполне достаточно, чтобы понять всю важность исследования кремнезема при высоких давлениях. Таким образом, я сформулировал для себя и конкретное направление исследований. Пора было начинать работать.

Однако с тетраэдрической установкой ничего не получилось, она, как выяснилось, не могла быть пригодна для чего-либо, кроме сдачи в металлолом. Я.А. Калашников дал мне совет: "Вы должны сделать так, чтобы Л.Ф. Верещагин был назначен вашим официальным руководителем. В этом случае он возьмет вас в Институт, где имеются реальные возможности для проведения экспериментов". Я посоветовался с А.П. Виноградовым. Он не возражал. Выслушав мою просьбу, Л.Ф. Верещагин сказал: "Хорошо, в таком случае я беру Вас в Институт, приходите в понедельник туда, и я Вас познакомлю с Саррой Самсоновной Кабалкиной, руководителем рентгеновской группы, и у нее Вы и начнете работать".

Поскольку у меня была идея заниматься кварцем, а Сарра Самсоновна в это время занималась рентгеновским исследованием сжимаемости, то начали заниматься сжимаемостью кварца. Я получил какие-то результаты при давлениях порядка 10-15 кбар, понимая, что этой области давлений явно недостаточно для того. чтобы сделать то, что я хотел. Кварц как был кварцем, так им и оставался.

Параллельно с экспериментальной работой я использовал каждую свободную минуту для изучения литературы. Как известно, ксероксов тогда не было, и я конспектировал статьи в большой тетради, копировал диаграммы и графики на кальку. Делал я это достаточно интенсивно, так что за период с декабря 1960 г. по апрель 1961 г. я заполнил конспектами четыре больших тетради, которые храню до сих пор. Как выяснилось в результате изучения литературы, гипотеза Ф. Берча отнюдь не была общепризнанной. По крайней мере, Джон Ферхуген из Калифорнии и наш В.А. Магницкий приводили какие-то доводы против и пытались доказать, что оливин при высоких давлениях будет обладать некоторой аномалией физических свойств, которая обеспечит требуемое аномальное увеличение скоростей сейсмических волн и возрастание плотности в переходном слое мантии Земли. Таким образом, ситуация была не однозначна.

В один из дней, вскоре после начала моей работы в институте, С.С. Кабалкина познакомила меня со Светланой Поповой, недавней выпускницей физического факультета МГУ, окончившей кафедру В.А. Магницкого, ведущего специалиста в области физики Земли. Светлана работала в группе А.А. Семерчана и как-то была связана с алмазным синтезом. По ее словам, это дело было малоинтересным и ей хотелось заняться чем-нибудь другим. С тех пор мы иногда встречались, и я посвящал ее в свои планы, интересовался, есть ли практическая возможность для работы в их группе. По мнению Светланы, такая возможность определенно была.

Мои дальнейшие эксперименты с кварцем в группе С.С. Кабалкиной развивались не очень успешно, встречались некоторые технические проблемы. Однако я все больше чувствовал, что начал терять время, нужно было переходить к более высоким давлениям и высоким температурам. Наконец настал день, когда я, с согласия С.С. Кабалкиной, записался на прием к Л.Ф. Верещагину. Итог встречи был благоприятен. Я оказался допущенным во владения А.А. Семерчана. Это произошло где-то в феврале 1961 г.

Итак, первый эксперимент. Общая схема эксперимента была очевидна. Было необходимо сжать исходный материал до максимально возможных давлений, а затем нагреть его до высоких температур, но неизвестно каких. Температура должна быть достаточно высокой, чтобы скорость превращения кремнезема в новую фазу, если таковая существовала, была бы вполне заметной, но в то же время температура должна была быть достаточно низкой, чтобы не выскочить из поля устойчивости искомой фазы. После определенного времени нужно было охладить содержимое камеры, а потом понизить давление. Естественно, что рассчитывать на успех можно было только в том случае, если искомая фаза высокого давления была бы метастабильной при комнатной температуре и атмосферном давлении. Камера высокого давления ("чечевица") вполне позволяла проделать необходимые манипуляции. Область достижимых давлений в то время существенно завышалась, очевидно, в рекламных целях, тем не менее, получение давления порядка 100 тыс атм было реальным. Высокие температуры в камере достигались с помощью короткозамкнутого нагревателя в виде графитовой трубки, через которую пропускается ток в сотни и тысячи ампер. Естественно, существовали проблемы с измерением давления и температуры.

Измельченный кварц загрузили непосредственно в графитовый нагреватель. Давление и температура умеренные, хотим сначала получить коэсит. Держим в режиме около часа, затем сняли давление, температуру и извлекли содержимое. Содержимое оказалось черным, как ночь. Измельчил кусочек, порошок на предметное стекло, каплю глицерина, сверху покровное стеклышко и под микроскоп. Ага, кварц и черные хлопья. Очевидно, графит. Однако есть еще что-то по краям зерен кварца. Дальнейшие исследования показали, что это коэсит. Вывод: надо как-то устранить возможность диффузии углерода в образец, взаимодействие углерода с кварцем может сильно запутать всю картину. Делаем платиновую ампулу. В следующий раз немного повышаем давление и температуру. Практически 100%-ный выход коэсита. Далее ведем эксперимент при предельном давлении и температурах 1800-2000°С. Получаем опять коэсит, но есть важное отличие. Систематически появляется неизвестная фаза с высоким показателем преломления и высоким двупреломлением. Она либо обрастает коэсит, либо образует пластинчатые и игольчатые зерна. Обозначаю эту фазу в журнале как "фазу X". Фаза Х появляется всегда как примесь, может быть, не хватает времени.

Следующий опыт планируем выдержать в режиме 3 часа. В итоге - взрыв. Еще длительный опыт - опять взрыв. Решаю: нужно сделать водяные жакеты для охлаждения наружных стальных частей камеры. Итак, первый опыт с жакетами. Давление, как прежде, выше последнего перехода в висмуте. Мощность на нагревателе соответствует температуре около 2000°С. Держу два часа. Все в порядке, камера не лопнула. Наконец, извлекаю платиновую ампулу. Замечаю некоторое отличие. Если раньше достаточно было оторвать крышечку ампулы и содержимое легко высыпалось, причем стенки ампулы были чистыми, то теперь крышечки отделялись вместе с частью содержимого. Материал беру из центра ампулы. Практически чистый коэсит. Замечаю фазу X, ее несколько больше. В течение недели ставлю второй и третий опыты. То же самое. По-прежнему игнорирую материал, прилипший к крышечкам.

Ставлю опыт при сниженной мощности на нагревателе. Достаем "чечевичку", извлекаем ампулу. Что такое? Крышечку невозможно оторвать. Пробую порвать боковую поверхность ампулы. Безрезультатно. Наконец, перекусываю ампулу кусачками, извлекаю какое-то количество вещества и под микроскоп. Нет ни кварца. ни коэсита. Неизвестный волокнистый материал с высоким показателем преломления. Да, это фаза X, ее трудно узнать, когда ее так много. Иногда встречаются отдельные игольчатые образования и даже хорошо образованные удлиненные кристаллы. Часть кристаллов в скрещенных николях выглядит зелеными. Двупреломление высокое. Я начинаю смутно догадываться, что же произошло: мы поставили охлаждающие жакеты с проточной водой, теплоотвод существенно увеличился, температура в камере понизилась, и мы попали в область устойчивости новой фазы. А дальше уже было дело аналитической техники. Необходимо было установить, не грязь ли это. Были опасения, что, может быть, графит диффундирует внутрь ампулы, взаимодействует с кремнеземом, возникают какие-то соединения с углеродом и так далее. В итоге после многочисленных проверок, обсуждений и колебаний мы убедились, что получили новую плотную фазу кремнезема. Была написана и послана в печать статья. Я пропускаю массу всяких осложняющих факторов, они неинтересны.

В августе 1961 г. статья была опубликована и тут же вызвала большой резонанс, а затем в декабре 1961 г. я получил письмо от Эдварда Чао, в котором он сообщил об открытии минерала - естественного аналога этой фазы в Аризонском метеоритном кратере. Чао сообщил также, что новый минерал назвали стишовитом.

На этом собственно и закончилась научная история, и началась история совсем другая...