Polak, który swym odkryciem zmienił świat. To ojciec elektroniki

Jan Czochralski nie urodził się w rodzinie wybitnych naukowców, nie zdał też celująco egzaminu maturalnego - ba, oceny do tego stopnia były dla niego rozczarowujące, że ponoć podarł swoje świadectwo. To teoretycznie mogło odciąć go od jakiejkolwiek dalszej kariery naukowej. A jednak Polak się zawziął i obrał sobie za cel osiągnięcie czegoś wielkiego. Słowa dotrzymał.

Czytając ten artykuł na smartfonie czy komputerze, warto wspomnieć Jana Czochralskiego. Bez jego odkrycia nie byłoby bowiem całej współczesnej elektroniki, a więc m.in. wspomnianych sprzętów. Tablety, cyfrowe aparaty fotograficzne oraz przenośnie konsole do gier także działają dzięki metodzie opracowanej przez Czochralskiego. Dlatego warto przypomnieć sobie sylwetkę tego zapomnianego nieco polskiego naukowca i uświadomić, co wynalazł i jak zmienił tym odkryciem świat. 

Urodzony w Kcyni (woj. kujawsko-pomorskie) w 1885 roku Czochralski był jednym z dziesięciorga dzieci stolarza, który wymarzył sobie, że syn ukończy Seminarium Nauczycielskie w Kcyni. Tak też się stało, ale rzekome podarcie świadectwa maturalnego mogło zniweczyć jakiekolwiek plany Jana związane z karierą naukową. Najpewniej gdyby nie jego zamiłowanie do chemii i predyspozycje badawcze, dziś świat mógłby wyglądać inaczej. Ale Czochralski miał na siebie plan - ponoć powiedział rodzinie, że wyjeżdża i wróci w rodzinne strony dopiero wtedy, gdy zdobędzie sławę. Udało mu się, a swoimi odkryciami znacząco wpłynął na świat.

Początkowo wyjechał do Berlina, gdzie podjął się pracy najpierw w aptece, a później koncernie elektrotechnicznym. Uczęszczał też na wykłady z chemii na Politechnice w Charlottenburgu jako wolny słuchasz. Zmieniał zatrudnienie jeszcze parokrotnie, zdobył też tytuł inżyniera chemika. W latach 1911-1914 był asystentem niemieckiego inżyniera Wicharda von Moellendorffa  - opublikował z nim swoją pierwszą pracę poświęconą krystalografii metali. W badaniach tych poruszono zagadnienie, które stało się podwalinami późniejszej teorii dyslokacji (jest ona podstawą interpretacji zjawisk i procesów zachodzących podczas plastycznego odkształcania metali). To był pierwszy przełom. Metalografia stała się dla Czochralskiego dziedziną, która zawładnęła jego umysłem - chemik poświęcił tym badaniom resztę życia.

Już w 1916 roku doszło do następnego przełomu związanego z obraną przez Czochralskiego ścieżką naukową, a kolejne lata pomogły rozwinąć koncepcję dot. krystalizacji metali. Naukowiec dokonał ustaleń, które z czasem doprowadziło do elektronicznej rewolucji. Co odkrył Czochralski? Wiele, ale przede wszystkim wynalazł metodę wytwarzania monokryształów, dzięki której możliwa jest produkcja układów scalonych - a te determinują konstruowanie komputerów, systemów przetwarzania dźwięku oraz obrazu i ogromu innej, tak popularnej dziś elektroniki. Choćby napisanie i czytanie tego tekstu na urządzeniach typu smartfon czy laptop możliwe jest więc dzięki dawnym dokonaniom polskiego naukowca.

Metoda Czochralskiego nie bez powodu określana jest jako ta, która zmieniła świat. Dzięki odkryciom Polaka rozpoczęto masową produkcję półprzewodników - po tylu latach metoda Czochralskiego wciąż jest fundamentem wytwarzania krzemu potrzebnego do produkowania chipów i procesorów! Gigantyczne, dobrze znane przedsiębiorstwa nie istniałyby dziś najpewniej bez metody polskiego profesora, dotyczącej pozyskiwania monokryształów. Na czym polega metoda Czochralskiego?

Ta najstarsza - a jednocześnie wciąż najpowszechniej stosowana na całym świecie - metoda wytwarzania monokryształów półmetali, przede wszystkim krzemu, które są potrzebne do tego, aby produkować półprzewodniki. Metoda Czochralskiego umożliwia też wytwarzanie monokryształów metali i ich stopów. Przewija się pewna anegdota, jakoby Czochralski odkrył ten proces przypadkiem - zamiast w kałamarzu, zanurzył pióro w tygielku z roztopioną cyną. Wyciągając stalówkę, odkrył, że uzyskał pręcik metalu.

W rzeczywistości pozyskanie monokryształu wymaga nieco więcej skupienia, niż roztargnione włożenie na chwilę stalówki do tygla z roztopioną cyną. Hodowla monokryształów polega bowiem na powolnym, stopniowym wyciąganiu z roztopionego materiału zarodka krystalicznego (małego kryształka) w taki sposób, aby powstały warunki kontrolowanej i stabilnej krystalizacji metalu na jego powierzchni.

Zetknięcie się tego wyciąganego słupka z chłodniejszym otoczeniem powoduje powolne jego krzepnięcie nad powierzchnią roztopionej materii. Tak kształtuje się monokryształ, którego charakterystyczną cechą jest takie uporządkowanie ułożenia atomów, że oba końce kryształu mają dokładnie tę samą orientację swojej struktury wewnętrznej - i to niezależnie od wielkości otrzymanego kryształu. Dziś wszelkie urządzenia, które zawierają układy scalone (choćby procesor w komputerze) i inne elementy z monokrystalicznego krzemu, powstają przy udziale metody Czochralskiego.

Dopiero po kilkunastu latach tak naprawdę w pełni okazało się, jak istotne jest odkrycie Czochralskiego z początku XX wieku - metoda Czochralskiego znalazła bowiem praktyczne zastosowanie dopiero w latach 50. To jednak był zaledwie początek rewolucji - a dziś bez metody pozyskiwania monokryształów odkrytej przez Polaka nie mogłaby się obejść cała światowa elektronika.

Metoda Czochralskiego nie przestaje mieć wpływu na dalszy rozwój globalnych technologii. Odkryty lata temu proces pozyskiwania monokryształów jest bowiem co rusz wykorzystywany przy kolejnych nowinkach technologicznych i to mimo coraz większej złożoności różnych procesów wytwarzania zaawansowanych elementów. Wynalazek polskiego badacza ma wpływ m.in. na produkcję tak chętnie montowanych dziś paneli fotowoltaicznych.

Do dziś giganci technologiczni korzystają z metody Czochralskiego. Jego prace badawcze wprowadziły do świata nauki tak wiele, że zyskał on miano najczęściej cytowanego naukowca z Polski na świecie. Profesor był bowiem autorem lub współautorem ponad 120 publikacji, oraz sporej liczby wynalazków i patentów. Poza monokryształami wykorzystywanymi w elektronice odkrył też np. stop znany jako "metal B", który przyniósł mu majątek i był powszechnie wykorzystywany na kolei, również przyczyniając się tu do rewolucji. Być może gdyby Czochralski żył nieco dłużej, doczekałby się nawet Nobla.

Odkrycie Polaka jest tak istotne, że przyniosło mu niesamowitą rozpoznawalność na świecie - tym bardziej zaskakiwać może, że w Polsce jest on dość zapomnianym badaczem. Wpływ na to miały czasy, w jakich żył polski uczony. To decyzja z okresu II wojny światowej zaważyła na dalszych losach profesora.

- Podczas okupacji Czochralski założył na terenie Politechniki Warszawskiej Zakład Badania Materiałów, którym kierował do wybuchu powstania warszawskiego 1944. Pod przykrywką oficjalnej działalności dla różnych instytucji i służb miejskich w Zakładzie działała tajna komórka AK i produkowano m.in. elementy broni na potrzeby ruchu oporu. Zatrudnienie w Zakładzie uchroniło wiele osób przed aresztowaniem i wywózką - przytacza dzieje Czochralskiego Instytut Pamięci Narodowej.

Niestety profesora nie spotkała za tę działalność chwała. Przeciwnie, czekał go areszt.

- Po wojnie oskarżono Czochralskiego o kolaborację z okupantem. W kwietniu 1945 r. został aresztowany i spędził cztery miesiące w więzieniu w Piotrkowie Trybunalskim. Stawiane mu zarzuty nie zostały udowodnione; przeciwnie, powołani świadkowie zeznawali, że Czochralski uratował wielu ludzi. Śledztwo zostało umorzone, a profesor został oczyszczony z zarzutów i zwolniony. Mimo to ówczesny Senat PW podjął uchwałę o wykluczeniu go z grona profesorów uczelni. Zdruzgotany psychicznie uczony wrócił do rodzinnej Kcyni, gdzie wkrótce wraz ze znajomymi założył firmę BION produkującą chemikalia (pastę do butów, lak, świece itp.) - wyjaśnia Instytut Pamięci Narodowej.

Pełnej rehabilitacji profesor doczekał się dopiero wiele lat po śmierci. W 2011 roku Senat Politechniki Warszawskiej wystosował uchwałę dotyczącą pełnej rehabilitacji profesora Czochralskiego. Rok 2013 uchwałą Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej ogłoszono natomiast Rokiem Jana Czochralskiego. Nazwisko profesora zdobi kilka szkół w Polsce, zespół polskich badaczy nadał nazwę Czochralskiit nowemu odkrytemu pozaziemskiemu minerałowi z meteorytu Morasko, a w 2018 r. roku wydany został komiks pt. "Jan Czochralski. Człowiek, który zmienił świat". Janowi Czochralskiemu poświęcony też został dokument z serii "Geniusze i marzyciele".

22 kwietnia 2024 r. minęło 71 lat od śmierci profesora. Warto następnym razem w ten dzień wspomnieć polskiego naukowca, choćby czytając o nim książkę, bo postać ta miała burzliwe i fascynujące życie. Można postarać się o jakiś e-book lub też poczytać o jego losach w archiwum IPN np. na smartfonie. To będzie swego rodzaju ukłon w stronę Czochralskiego - przecież korzystanie ze współczesnej elektroniki jest możliwe właśnie dzięki dokonaniom badacza i jego słynnej metodzie. W końcu nie bez przyczyny Czochralskiego zwie się "bohaterem cyfrowej rewolucji" czy "ojcem elektroniki".

Książki dotyczące Jana Czochralskiego: "Powrót. Rzecz o Janie Czochralskim" P. Tomaszewski, "Kryształowe odkrycie. Jan Czochralski, ojciec elektroniki" A. Czerwińska-Rydel, "Jan Czochralski. Człowiek, który zmienił świat" M. Jasiński, J. Michalski.

Źródła: chemia.waw.pl, ipn.gov.pl, kcynia.pl, naukawpolsce.pl, pau.krakow.pl.