REKLAMA


 

REKLAMA


 

Ten, co chciał pisać cyną NAC

Jak wyglądałby współczesny świat bez telefonów, odtwarzaczy MP3, nawigacji GPS, telewizorów, cyfrowych aparatów fotograficznych, kuchenek mikrofalowych, pralek i lodówek, dekoderów telewizyjnych, konsoli do gier i kart kredytowych? Nie musimy się nad tym zastanawiać dzięki Janowi Czochralskiemu i jego metodzie wytwarzania monokryształów


Malecka_Kinga

Autorem tekstu jest Kinga Małecka
„Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk”
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.  

 

Dr Kinga Małecka interesuje się geochemią środowiska, w tym dystrybucją pierwiastków ziem rzadkich w osadach powierzchniowych oraz ich zastosowaniem w nowoczesnych technologiach przemysłowych. 

 

 


Jan Czochralski urodził się w 1885 roku w Kcyni położonej nieopodal Bydgoszczy. Wychował się w wielodzietnej rodzinie, prostej, lecz szanowanej. Ojciec nie akceptował jego pasji związanej z ryzykownymi eksperymentami chemicznymi, więc jako szesnastoletni chłopiec przeniósł się do Krotoszyna i podjął pracę w aptece. Ale jego przygoda z chemią na dobre zaczęła się w 1904 roku, kiedy to wyjechał do Berlina i zatrudnił się w laboratoriach koncernu AllgemeineElektrizitaets Gesellschaft (AEG). Pracując, jednocześnie zdobywał wykształcenie – w 1910 roku otrzymał tytuł inżyniera chemika na Politechnice Berlińskiej. Po powrocie do Kcyni założył fabrykę – Zakłady Chemiczne BION. Produkowała ona różnego rodzaju wyroby kosmetyczne i drogeryjne m.in. pastę do butów, sól peklującą oraz płyn do trwałej ondulacji. Ale to dorobek naukowy w dziedzinie chemii i metaloznawstwa sprawiły, że Jan Czochralski jest wymieniany na świecie jednym tchem obok tak znakomitych Polaków jak noblistka Maria Skłodowska-Curie czy Mikołaj Kopernik.

 

Pierwsza była kolej

 

Jednym z ważniejszych wynalazków tego wybitnego chemika był stop zwany bahnmetalem lub metalem B, doskonale nadający się do produkcji ślizgowych łożysk kolejowych. Wyróżniał się tym, że nie zawierał kosztownej i trudno dostępnej cyny, a poza tym umożliwiał zwiększenie prędkości jazdy składów. Patent natychmiast kupiła kolej niemiecka, ale ostatecznie bahnmetal przyczynił się do znacznego rozwoju kolejnictwa także w Polsce, Stanach Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii i ZSRR.

 

Nikt nie ma jednak wątpliwości, że największym odkryciem prof. Czochralskiego było opracowanie metody pomiaru szybkości krystalizacji metali. Był rok 1916. Jak głosi anegdota, pewnego dnia profesor przez roztargnienie zamiast w kałamarzu zanurzył stalówkę pióra w tyglu z roztopioną cyną. Kiedy ją wyjął, uzyskał pręcik metalu. To naprowadziło go na odkrycie, które zmieniło świat.

 

Z pieca do telefonu

 

Metoda Czochralskiego polega na bardzo ostrożnym „wyciąganiu” monokryształów z roztopionej substancji za pomocą pręta dotykającego jej powierzchni. Można ją stosować do wszystkich materiałów, których cząsteczki nie rozpadają się podczas podgrzewania i topnienia. Tak otrzymane monokryształy odznaczają się wysoką czystością i jednorodnością.

 

Monokryształy uzyskuje się w piecu do monokrystalizacji. W jego wnętrzu, w atmosferze chemicznie obojętnego argonu umieszcza się tygiel wykonany z krzemionki, czyli tlenku krzemu (materiał ten zapobiega przenikaniu obcych pierwiastków w wysokiej temperaturze do znajdującego się w tyglu roztopionego krzemu). Gdy temperatura pieca osiągnie ponad 1400 stopni Celsjusza i krzem w tyglu zmieni się w ciecz, do jej powierzchni zostaje przyłożony cienki pręt z monokryształu krzemu. Pełni on funkcję zarodka, wokół którego stopniowo osadzają się atomy cieczy. Sterowanie procesem wzrostu kryształu wymaga stosowania ścisłej procedury, która określa szybkość wyciągania zarodka z wnętrza tygla, prędkość obracania pręta, temperaturę, a nawet skład i ciśnienie atmosfery wewnątrz pieca. Rosnący kryształ jest ciągle ważony za pomocą czułych wag elektronicznych, tempo wzrostu kryształu kontroluje zaś specjalne oprogramowanie, nie może on bowiem przyrastać zbyt szybko. Jeśli jednak tak się stanie, obniżana jest temperatura pieca, dzięki czemu zmniejsza się lepkość cieczy i spada tempo przyrostu. Właściwą prędkość wysuwania pręta z tygla, co ma wpływna średnicę powstającego kryształu, zapewniają sterowane komputerowo silniki krokowe. Atomy znajdujące się w tyglu muszą zająć właściwe miejsce w sieci krystalicznej rosnącego zarodka, a jeśli zarodek jest wyciągany zbyt szybko, struktura krystaliczna ma liczne defekty, a w skrajnych przypadkach może się w ogóle nie wytworzyć. Trzeba tu zauważyć, że czas wzrostu kryształów krzemowych jest wyjątkowo krótki – metr powstaje w zaledwie 30 godzin. Inne półprzewodniki tworzą kryształy wolniej, zwykle w tempie ok. 10 cm na dobę, monokryształy tlenkowe zaś przyrastają niewiele ponad 10 cm na tydzień.

Jan Czochralski (1885 – 1953) Profesor Politechniki Warszawskiej, kierownik Instytutu i Zakładu Metalurgii  i Metaloznawstwa. Fot. NAC 

Kryształy ze szczególnie rzadkich i/lub trudnych w obróbce materiałów wymagają hodowania w specjalnie zmodyfikowanych piecach – wyciąga się je wtedy z pojedynczych kropel lewitujących w polu magnetycznym.

 

Pierwsze kryształy wytworzone przez prof. Jana Czochralskiego przypominały metalowe druty, osiągając średnicę wielkości milimetra i długość półtora metra. Obecnie produkowane kryształy z krzemu mogą mieć ponad 2 m długości, średnicę zbliżoną do pół metra i masę kilkuset kilogramów. Inne kryształy, uzyskiwane ze związków półprzewodnikowych, są zwykle znacznie mniejsze. Na przykład monokryształy tlenkowe mają do 10 cm długości, a ich średnice nie przekraczają 5 cm.

 

Uzyskany kryształ krzemu jest poddawany obróbce. Początkowo nadaje mu się postać walca o średnicy dopasowanej do wymogów linii przemysłowych, po czym tnie się na płytki. Po wypolerowaniu stają się one idealnym materiałem do budowy elementów elektronicznych. Najczystsze chemicznie fragmenty kryształów, o najdoskonalszej strukturze krystalicznej, są wycinane i używane jako zarodki przy wytwarzaniu kolejnych.

 

Lepszy od Mikołaja

 

Z początku metodą Czochralskiego interesowali się wyłącznie metaloznawcy, obecnie stosuje się ją powszechnie w produkcji kryształów, zwłaszcza półprzewodnikowych, które służą do budowy tranzystorów używanych w elektronice. Ocenia się, że aż 90% urządzeń półprzewodnikowych powstaje właśnie dzięki naszemu uczonemu. W Polsce na największą skalę metodę tę wykorzystuje Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie.

 

Znaczenie wynalazku jest ogromne i wciąż wzrasta. Świadczy o tym fakt, że liczba publikacji naukowych odwołujących się do niego w ostatniej dekadzie powiększyła się niemal dwukrotnie. Sam Jan Czochralski był autorem lub współautorem ponad 120 publikacji naukowych, wielu wynalazków i patentów. Do dziś jest najczęściej cytowanym polskim uczonym – prześcignął Mikołaja Kopernika i Marię Skłodowską-Curie. Jest najczęściej wymienianym polskim uczonym w światowym piśmiennictwie naukowym i technicznym.

 

Można przypuszczać, że gdyby prof. Czochralski żył kilkanaście lat dłużej i doczekał rozkwitu elektroniki półprzewodnikowej, z ogromnym prawdopodobieństwem Polska miałaby drugiego noblistę w – najbardziej prestiżowych – naukach ścisłych. Splendoru związanego ze swoim wynalazkiem jednak nie doczekał. Ale my wiemy, że bez jego metody wytwarzania monokryształów żylibyśmy zupełnie inaczej.

 

 

Academia nr 4 (36) 2013

Oceń artykuł
(0 głosujących)

Tematy

agrofizyka antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria materiałowa język językoznawstwo klimatologia kobieta w nauce komunikacja kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl