Текст книги "Алексей Васильевич Шубников (1887—1970)"

Автор книги: Николай Белов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 15 страниц)

Систематическое изучение симметрии внешней формы кристаллов привело к открытию 32 видов симметрии, что позволило отличать кристаллы друг от друга по внешней форме. Понятие кристаллической среды здесь уступает понятию кристаллического индивида. Более глубокое изучение симметрии кристаллов, однако, позволило Е. С. Федорову и А. Шенфлису установить 230 пространственных групп. Такую симметрию может иметь бесконечно большой кристалл, т. е. кристаллическая среда.

Особо следует остановиться на известной книге А. В. Шубникова [86], вышедшей в свет еще в 1935 г., но до настоящего времени не только не потерявшей своего значения, но являющейся настольной книгой кристаллографов-ростовиков. Впервые в этой книге целиком была представлена проблема роста кристаллов, раскрыта ее значимость и взаимосвязь с другими разделами кристаллографии.

Книга содержит семь разделов. В первом из них приводятся общие сведения о кристаллах, причем особое внимание уделяется их геометрически правильной форме. Ведь именно изучение внешней формы кристаллов позволило установить закон постоянства углов, вывести представление об идеальной и реальной формах кристаллов, составить понятие о простых формах. Пользуясь этими представлениями, А. В. Шубников отметил, что всякий кристалл можно рассматривать как совокупность концентрических многогранных оболочек, минимальная толщина которых равна толщине одного молекулярного слоя. В результате этого простую форму кристаллов составляют не только геометрически равные, но главное физически равные поверхности. Этот вывод лег в основу реального кристаллообразования. Вот почему А. В. Шубникова следует считать основоположником этого направления, играющего в настоящее время важнейшую роль. Он одним из первых дал описание реальной структуры кристаллов: понятие энантиоморфизма, двойников и закономерных сростков, обратив внимание на закон кристаллической однородности, согласно которому кристалл является одновременно и однородным и анизотропным. Свойства его вдоль параллельных направлений одинаковы, а вдоль перпендикулярных – различны. Отсюда оказалось возможным построение поверхностей физических свойств кристаллов, характеризующих их значения по различным кристаллографическим направлениям.

Второй раздел книги посвящен методам выращивания кристаллов. Здесь А. В. Шубников впервые дал систематизированное представление о методах выращивания. Он разделил известные к тому времени методы на две группы: методы кристаллизации из растворов и методы» кристаллизации из расплава.

Описанные А. В... Шубниковым методы кристаллизации из растворов практически не претерпели существенных изменений до настоящего времени. Несмотря; на значительный прогресс области создания и развития расплавленных методов кристаллизации, методы, описанные А. В. Шубниковым, составляют основу этого развития.

Третий раздел книги посвящен механизму роста кристаллов. В нем после рассмотрения природы* зарождения кристаллов и описания имевшегося экспериментального материала о влиянии внешних условий на кристаллизацию А. В. Шубников дал общие представления о молекулярно-кинетической теории роста, которую интенсивно развивали Коссель, Странский, Каишев и др.

Четвертый раздел книги посвящен внешней форме роста, растворения и равновесия. Исходя из понятия идеальной формы А. В. Шубников переходит к реальным формам„ их зависимости от внешних условий роста и растворения. При этом он совершенно четко разделяет два противоположно направленных процесса: рост и растворение кристалла.

Для данных условий роста существует бесконечное множество равновесных форм, обладающих разной, но близкой друг к другу степенью устойчивости. Согласно закону Браве, при росте кристаллов преимущественно возникают грани с наибольшей ретикулярной плотностью. А. В. Шубников, однако, подчеркивает, что форма кристалла определяется не только его строением, но и строением кристаллизационной среды. Именно в этой связи он рассматривал образование на кристалле ступенчатых форм, параллельных сростков, двойников, скелетных, скученных и скрученных форм. Определенное внимание А. В. Шубников уделяет видинальным граням и вициналоидам. По его мнению, причина их образования связана с явлением расщепления кристаллов.

В настоящее время мир кристаллов в значительной степени расширился за счет особого класса веществ – жидких кристаллов. За многие десятилетия до их широкого применения,.А. В. Шубников предсказал их важное практическое значение и дал достаточно полное описание. Он отметил, что жидкие кристаллы обладают свойствами кристаллов .(они «плавятся», переходя в обыкновенную изотропную жидкость при строго определенной температуре; обладают двойным лучепреломлением, могут иметь свою особую форму, могут давать с кристаллами закономерные сростки) и свойствами жидкости (они не тверды, не имеют структуры кристаллической решетки, для них несправедливы законы целых чисел, постоянства углов и т. д.). А. В. Шубников систематизировал различные фазовые состояния (стазы) жидких кристаллов. Он выделил четыре такие стазы, различающиеся степенью ориентированного расположения молекул.

В пятом разделе, посвященном структурам роста, А. В. Шубников дал полное описание морфологических особенностей кристаллов, их реального строения; зонарной структуры, пирамид роста и механических включений, причем возникновение этих особенностей связал с условиями роста и наличием примесей.

Проявлением морфологических особенностей процесса роста является образование сферолитов, винтовых структур и колец Лизеганга. Сферолит – система, состоящая из отдельных удлиненных кристалликов или хорошо различимых монокристаллических волокон, расположенных радиально вокруг одного центра, и по внешней форме приближающаяся к шару. Чаще всего сферолиты образуются в вязкой среде. Винтовые структуры появляются при закручивании кристаллов во время роста, особенно при добавлении определенных веществ. Кольца Лизеганга – это периодические структуры, образующиеся при взаимодействии двух веществ, дающих в результате химического взаимодействия вещество, выпадающее в осадок.

Шестой раздел книги посвящен влиянию условий роста на форму и величину кристаллов. А. В. Шубников обращает особое внимание на необходимость создания условий роста при постоянном пересыщении раствора. Для этого подробно рассматривается характер концентрационных потоков вблизи растущего кристалла.

Седьмой раздел посвящен соотношению между симметрией кристаллов и явлениями роста и растворения. Пользуясь принципом Неймана, А. В. Шубников рассмотрел симметрию кристаллизационной среды во взаимодействии с симметрией растущего кристалла. Он отметил роль естественной симметрии и наведенной, обусловленной внешними причинами. Взаимодействие симметрий внешней среды и кристалла сказывается прежде всего на его внешней форме. Сохраняются элементы симметрии, являющиеся общими для среды и для идеального кристаллического многогранника. Убедительным примером служат фигуры травления, симметрия которых определяется не только симметрией кристалла, но и симметрией травителя.

Монография А. В. Шубникова [86] сыграла выдающуюся роль в становлении и развитии науки о кристаллах и их практическом выращивании. С одной стороны, она ставит перед исследователем основные проблемы роста кристаллов и этим вводит читателя в мир кристаллов, а с другой – учит тому, как растить кристаллы. В этой монографии в исключительно доступной форме даны все необходимые представления о росте и выращивании монокристаллов.

Глава 12
А. В. Шубников – инициатор и организатор промышленности пьезокристаллов в СССР

В своей научной и практической деятельности большое внимание А. В. Шубников уделял пьезоэлектричеству и его практическому использованию. Он первым оценил значение для радиотехники кварцевого резонатора. Уже в 20-х годах начала остро ощущаться необходимость стабилизации частоты радиостанций, так как при приеме возникали взаимные помехи. В 1921 г. У. Кэди были предложены кварцевые резонаторы как стабилизаторы частоты радиотехнических генераторов, после чего их начали интенсивно изучать и практически использовать. Производство кварцевых резонаторов затруднялось тем, что свойства и особенности природных кристаллов кварца, а также техника их обработки не были известны работникам радиотехнической промышленности.

Как уже было сказано, в Ленинграде при Минералогическом музее АН СССР А. В. Шубников организовал кварцевую лабораторию, в которой изучались особенности кварцевого сырья и технология его обработки. Эта лаборатория изготовляла кварцевые резонаторы и другие кварцевые препараты, в том числе и оптические, обеспечивая потребности многочисленных заказчиков. После пяти лет работы результаты исследований были обобщены А. В. Шубниковым и его сотрудниками [58]. Это «Руководство» было написано в присущем Алексею Васильевичу лаконичном стиле. Однако оно содержало все необходимые сведения, начиная с описания кристаллофизических характеристик и морфологических особенностей кварца и кончая подробным перечнем материалов, инструмента и инвентаря, необходимых для оборудования кварцевой лаборатории. Особенно ценными были описания методов определения осей кристалла и ориентирования срезов для случаев, когда внешняя огранка была частичной или полностью отсутствовала. Были описаны приборы и приспособления для реализации этих методов, а также ценные сведения по распиловке кристаллов, шлифовке и полировке пластин. Описывались способы затравки пил алмазом, очистки и классификации абразивных порошков, окончательной шлифовки, «оживления» кварцевых пластин при возбуждении и настройке их частоты. Вскоре это «Руководство» стало библиографической редкостью.

Продолжая работы в этом направлении, А. В. Шубников и его сотрудники дополняли и уточняли руководство, публикуя статьи практического назначения, например об определении осей в гальке кварца, о фигурах удара, давления и травления кварца [30, 56, 57, 72]. До сих пор не потеряли своего назначения и работы о процессах шлифовки и полировки камня [27, 92, 100, 126].

Работы по изучению пьезокварца были существенно расширены в связи с организацией Центральной научно– исследовательской лаборатории (ЦНИЛ) Треста № 13 НКЭП (Народного комиссариата электропромышленности) в Москве. Трест № 13 занимался разведкой и добычей минерального сырья для электропромышленности, в том числе и оптических кристаллов и пьезокварца. По инициативе А. В. Шубникова при этом тресте в 1937 г. была создана лаборатория прикладной кристаллографии, занимавшаяся изучением природного кристаллического сырья, разработкой методов его рационального использования и обработки. Одновременно в ней велись работы по выращиванию монокристаллов кварца и сегнетовой соли, имеющие важное прикладное значение. Планировались работы по выращиванию кристаллов алмаза. Для размещения ЦНИЛ Алексей Васильевич предоставил часть помещений Кристаллографической лаборатории. Тесные контакты сотрудников ЦНИЛ с учеными лаборатории были чрезвычайно полезны как инженерам– практикам, так как они способствовали росту их квалификации, так и ученым-кристаллографам, поскольку своевременно ставили перед ними вопросы, имевшие важное практическое значение и требовавшие быстрого разрешения. Некоторые из сотрудников Кристаллографической лаборатории выступали в качестве руководителей научных тем ЦНИЛ (Г. Г. Леммлейн, Е. В. Цинзерлинг, Н. Н. Шефталь и др.).

В 1939 г. в ЦНИЛ поступил инженер П. Г. Поздняков и сразу получил от А. В. Шубникова задание разработать многочастотный пьезокварцевый излучатель. Прежде эта работа велась в лаборатории без заметных успехов и надежд на окончание в срок. Алексей Васильевич коротко пояснил задачи, предложил теоретически изучить проблему и через неделю представить свои соображения и план работы. П. Г. Поздняков был принят в так называемую радиогруппу, в которую кроме него входил еще один радиоинженер Н. В. Киселев, радиомонтажник и настройщик кварцев. Радиогруппа занималась исследованием характеристик резонаторов из кварца различного качества, влияния разного рода дефектов кристаллов, качества обработки, а также выполнением отдельных заказов на резонаторы.

К концу 30-х годов в Ленинграде, Москве, Горьком уже действовало несколько кварцевых цехов, в которых изготовлялось большое количество резонаторов. Работа налаживалась не без трудностей. Добывавшееся кварцевое сырье большей частью состояло из мелких кристаллов весом около 100 г. Кварцевые цехи нередко отказывались брать такие кристаллы «недомерки». Работа по использованию дефектного низкосортного и маломерного кварца проходила при непосредственном участии П. Г. Позднякова и Г. Г. Леммлейна, который во многих спорных случаях являлся главным экспертом по качеству кристаллов, и его мнение было решающим.

Характеризуя стиль работы А. В. Шубникова, нельзя не отметить его комплексный подход к решению проблемы пьезокварца. Он считал необходимым изучать кварцевое сырье различных месторождений, его особенности и характерные дефекты, создавать методы и приборы для объективной оценки качества кристаллов как сырья для производства резонаторов, разрабатывать методы рациональной разделки кристаллов и экономичной его обработки, а также оборудование и приспособления для их резки и шлифовки.

В 1940 г. вышла в свет книга А. В. Шубникова [133], содержавшая полные сведения о кварце как одной из модификаций кремнезема. Однако ее воспринимали преимущественно как книгу о пьезокварце, поскольку в ней описывались главным образом монокристаллы кварца, их морфологические особенности, тепловые, оптические, упругие и электрические свойства. Особенно подробны и полезны были сведения о дефектах кристаллов, технике травления, определении направлений кристаллографических осей и ориентировании срезов. В большой заключительной главе были приведены сведения о колебаниях кварцевых пластин, описаны срезы с малым температурным коэффициентом частоты, разновидности резонаторов и другие примеры использования пьезоэлектрических свойств кварца. К тому времени в мировой литературе были известны только три книги по пьезокварцу – А. Грамона, П. Вигуро и А. Шайбе. Книга А. В. Шубникова существенно отличалась от них своим более полным кристаллофизическим содержанием. Впервые в ней описывались морфологические особенности и дефекты реальных кристаллов, фигуры травления, удара и давления, методы ориентации кристаллов. Многое в ней было новым и до настоящего времени не потеряло своего значения. Эта книга оказала огромное влияние на формирование кадров кварцевиков. Выходу ее предшествовал выпуск конспекта лекций А. В. Шубникова по пьезокварцу [120], прочитанных им для сотрудников ЦНИЛ. Этот конспект очень ценился «кварцевиками».

Осенью 1939 г. в ЦНИЛ пришел новый сотрудник студент-дипломник Московского института связи А. С. Шеин. Он был приглашен в группу Н. Н. Шефталя для организации работ по применению кристаллов сегнетовой соли, выращивание которых статическим методом к тому времени было уже достаточно освоено. Он был порывистым, настойчивым, страстно преданным своему делу человеком. Его энергия и работоспособность были удивительны. Он умел ими заражать всех сотрудников, вселяя веру в успех. Быстро обнаружились его недюжинные способности и склонности к научной и изобретательской деятельности. В короткий срок он разобрался в особенностях явлений пьезоэлектрического преобразования, технологии обработки растворимых кристаллов, что позволило ему оригинально решить вопросы создания высокочувствительных пьезоэлементов и повышения их надежности. Им были предложены способы металлизации пластин из сегнетовой соли, их сборки и защиты от механических воздействий и действия влаги. А. С. Шеиным были созданы образцы различных акустических приборов – телефонов, микрофонов, громкоговорителей, звукоснимателей. Демонстрации этих приборов, их высокие электрические и эксплуатационные характеристики вызывали интерес у представителей многих научных учреждений и промышленных предприятий. Его успехи во многом ускорили реализацию идеи А. В. Шубникова о создании настоящей промышленной фабрики кристаллов.

Вопрос об организации пьезотехнического завода начал широко обсуждаться в 1940 г. в связи с необходимостью выпуска изделий из кристаллов сегнетовой соли. А. В. Шубников настаивал на необходимости придать заводу более широкий профиль, расширив номенклатуру кристаллов.

Великая Отечественная война ускорила решение вопроса об организации на базе ЦНИЛ завода пьезоэлектрического профиля. Эвакуация из Москвы различных учреждений, в частности академических, решила вопрос о производственных помещениях. В сентябре 1941 г. завод был создан. В его распоряжение были переданы помещения Геолого-разведочного института АН СССР, эвакуированного в тыл. П. Г. Поздняков возглавил завод, а А. С. Шеин стал его главным инженером. С первых дней войны коллективы ЦНИЛ и Кристаллографической лаборатории активно включились в работы на оборону. Изготовлялись резонаторы для военных нужд, начались работы по организации производства кристаллов сегнетовой соли. Сотрудники активно взялись за разработку изделий военного назначения. Одним из первых заданий явилась разработка пьезоэлектрического стетоскопа для обнаружения бомб замедленного действия с часовыми механизмами, которые фашисты начали применять при бомбардировке Москвы. Усилиями группы сотрудников за считанные дни был создан образец такого устройства, успешно выдержавшего все испытания. Образец был утвержден к выпуску и серийному изготовлению начиная с 1941 г. Организационных и хозяйственных забот было множество, если учесть, что завод создавался на базе небольшой, малочисленной лаборатории, а его руководителями были молодые люди, не имевшие хозяйственного опыта. Положение спасало то обстоятельство, что обращения в различные организации находили всегда всемерную поддержку, поскольку дело касалось обороны страны. В это время советы А. В. Шубникова по различным техническим и организационным вопросам были особенно нужны и вселяли веру в собственные силы. Решения нужно было принимать быстро, нередко с большим риском. Наряду с организацией цеха выращивания кристаллов статическим методом велась работа по созданию опытной установки выращивания кристаллов динамическим методом, разработанным Б. В. Витовским и Г. Ф. Добржанским. Ее проектирование и изготовление велось собственными силами. К концу года установка была закончена, налажена и в феврале 1942 г. выдала первую продукцию. Для статического выращивания требовались водяные термостаты в виде металлических ванн с толстым слоем теплоизоляции. Изготовить их быстро оказалось невозможным. А. В. Шубников поддержал предложение П. Г. Позднякова об изготовлении деревянных термостатов. Одна из московских бондарных артелей за неделю изготовила по эскизам нужную партию деревянных термостатов. Первые образцы этих термостатов оснащались и устанавливались в помещениях Ломоносовского института. Уже в ноябре 1941 г. завод дал первую продукцию.

После войны завод переживал трудные времена. Требовалось переходить на мирную продукцию, а главное – нужно было освобождать временно занимаемые помещения. В связи с этим были тенденции закрыть завод. Однако к этому времени его коллективу удалось вырастить новые пьезокристаллы для акустики и радиотехники. Вопрос о ликвидации отпал. Более того, в 1950 г. завод был реорганизован в Центральную научно-исследовательскую лабораторию пьезотехники (ЦНИЛП) с опытным заводом, позже ставшую ядром, вокруг которого возникло целое объединение предприятий пьезотехнического профиля. Кстати, термин «пьезотехника» был предложен А. С. Шеиным еще в 1941 г. Успехам в росте новых пьезокристаллов завод, а позже ЦНИЛП, во многом был обязан А. А. Штернбергу. Им сначала были выращены кристаллы фосфатов аммония и калия, нашедшие применение в различных акустических приборах. Затем были разработаны способы выращивания кристаллов виннокислых солей калия и этилендиамина. Процессы роста кристаллов сегнетовой соли и фосфата аммония были доведены до совершенства. Огромный однородный кристалл сегнетовой соли весом около 25 кг, выращенный Н. Н. Васильевым, был подарен А. В. Шубникову в день его 80-летия.

В 1952 г. в ЦНИЛП в трехлитровых автоклавах были выращены первые кристаллы кварца на затравках АТ-среза. Их испытания подтвердили идентичность характеристик природного и искусственного кварца. Вскоре Министерством геологии был создан Всесоюзный научно-исследовательский институт синтеза минерального сырья (ВНИИСИМС), основной задачей которого была разработка промышленных методов выращивания кристаллов кварца, в первую очередь пьезокварца. ВНИИСИМС был организован на базе небольшой группы сотрудников ЦНИЛП, возглавляемой А. В. Симоновым. Институт пополнялся способными молодыми специалистами, выпускниками МГУ (Л. И. Цинобер, В. Е. Хаджи, Л. А. Гордиенко и др.), которые уже в 1955 г. успешно решили задачу промышленного выращивания кварца.

А. В. Шубников постоянно интересовался развитием работ на всех этих предприятиях, которые были созданы благодаря его усилиям и энергии.

К. Е. Ворошилов вручает А. В. Шубникову орден Ленина.