Innledning
År 2025 har det gått 72 år siden professor Jan Czochralski døde. Han var opphavsmann til den verdensberømte metoden for å produsere enkeltkrystaller og det er allment antatt at uten denne metoden og dens skaper ville det ikke eksistert halvlederelektronikk, moderne teknologi eller ingeniørkunst i dag, og livene våre ville sett helt annerledes ut. Dette er ingen overdrivelse, for Czochralskis oppdagelse, gjort for 109 år siden, var resultatet av en heldig tilfeldighet. Det var en svært sjelden kombinasjon av en ung forskers søken og forventninger, hans eksepsjonelle observasjonsevner og intuisjon, og et fenomen som ble generert ved et uhell og som ikke forekommer i naturen. I dag produseres dusinvis tonn enkeltkrystaller ved hjelp av Czochralski-metoden over hele verden hver dag, hvorav flertallet brukes av halvlederindustrien. Det er derfor ikke overraskende at noen kaller Jan Czochralski for “elektronikkens far”.
Navnet hans dukker opp daglig i vitenskapelige tidsskrifter innen fysikk og kjemi, enten i fullt navn eller forkortet til det velkjente CZ. Selv om nesten ingen siterer hans originale arbeider i dag, har navnet hans blitt en del av dagligtalen. Mange forskere drømmer om en slik anerkjennelse, men professoren selv levde ikke lenge nok til å oppleve denne populariteten. Forlatt i villaen sin i Kcynia arbeidet han med den polske versjonen av boken sin Moderne metallurgi, hvor ett kapittel var dedikert til Czochralski-metoden. Han var trolig uvitende om at en revolusjon innen elektronikk hadde begynt i USA, nettopp gjennom bruken av hans metode for krystallvekst, som fram til da hadde blitt brukt til krystallisering av metaller.
Over tid skjedde en overraskende “separasjon” mellom navnet og personen. Hele verden begynte å bruke Czochralski-metoden uten å være klar over hvem dens skaper var. Bare gjennom vedvarende innsats fra noen få individer over mange år ble personen og de andre prestasjonene til professor Jan Czochralski brakt til bredere anerkjennelse. Jeg håper denne teksten vil bidra, om enn bare delvis, til å spre kunnskap om en av de få mest fremstående polske forskerne innen fysikk og kjemi. Ved siden av Mikołaj Kopernik og Maria Skłodowska-Curie er det kanskje bare Jan Czochralski som har sikret seg en varig plass, ikke bare i historien til disse vitenskapelige disiplinene, men også i dagens vitenskapelige terminologi. Vi kan være stolte over at også Czochralski er vår landsmann!
Jan Czochralski tilhørte en generasjon som aktivt deltok i den tumultartede utviklingen av vitenskap og teknologi ved begynnelsen av det 20. århundret. Det er tilstrekkelig å nevne brødrene Wrights første flyvning (1903), flytendegjøringen av helium (1908, H. Kamerlingh Onnes), oppdagelsene av atomkjernen (1911, E. Rutherford), superledighet (1911, H. Kamerlingh Onnes), røntgendiffraksjon av krystaller (1912, M. von Laue), atommodellen (1914, N. Bohr), den generelle relativitetsteorien (1916, A. Einstein), den første transatlantiske flyvningen (1919, J. Alcock og A.W. Brown) og formuleringen av kvantemekanikk (1925, W. Heisenberg).
Han var en allsidig skaper med brede vitenskapelige og ikke-vitenskapelige interesser, både tekniker og humanist. Selv i de tider var det få forskere som ham. Hans rike vitenskapelige og tekniske arv gjenspeiler fullt ut rikdommen i Czochralskis liv og interesser. Dessuten kunne biografien hans deles mellom flere personer! Var det bare tidens natur, eller var Czochralski rett og slett en “autentisk” sønn av sin æra? La andre fundere over disse spørsmålene. Det er imidlertid ingen tvil om at Czochralski kombinerte, nesten ideelt, hardt og iherdig arbeid (tross alt kom han fra en familie av håndverkere fra Stor-Polen!), en lidenskap for vitenskap og jakten på det nye, en skarp sans for forskningstemaer, kreativ rastløshet og en vedvarende drivkraft mot målene sine til tross for ulike tilbakeslag.
Det er viktig å ikke knytte navnet hans kun til én oppdagelse eller én oppfinnelse – spesielt ikke den han aldri patenterte. Arven hans venter fortsatt på grundig utforskning av eksperter. Så langt har bare delen relatert til den såkalte Czochralski-metoden blitt studert i detalj, men hans langt mer tallrike prestasjoner innen metallurgi og materialvitenskap gjenstår. Nesten hvert år bringer nye innsikter og noen ganger overraskende oppdagelser. For eksempel spekuleres det i at prototypen for det Nobelprisvinnende atomkraftskanningsmikroskopet kan ha vært Czochralskis såkalte radiomikroskop fra 1925.
Hvem var så denne forskeren, bevisst glemt i mange år, som i dag, 72 år etter sin død, plasseres blant de største polske forskerne? Hvorfor ble han misforstått og deretter glemt? Hvorfor opplevde han en slik tragedie? Hva etterlot han egentlig i vitenskapen?
I familiehjemmet
Jan Czochralski ble født 23. oktober 1885 i Kcynia, i Pałuki-regionen, som da var under prøyssisk deling. Han var det åttende av ti barn til Franciszek Czochralski og Marta, født Suchomska, håndverkere fra Stor-Polen. Det er derfor ikke overraskende at Jan verdsatte både iherdig arbeid og hjemlandet sitt.
I tråd med farens ønsker fullførte han Lærerseminaret i Kcynia, men fordi han ikke kunne akseptere karakterene sine, hentet han ikke vitnemålet sitt. Mangelen på dette dokumentet stengte veien til en karriere som lærer eller akademiker. Han forlot derfor hjemmet for å fortsette å studere sin elskede kjemi på egen hånd. Han lovet foreldrene sine at han ikke skulle returnere til Kcynia før han hadde blitt berømt!
I Berlin
På den tiden var Berlin den nærmeste akademiske byen, der mange polakker studerte. Jan Czochralski ankom byen i slutten av 1904 og begynte å jobbe ved Dr. A. Herbrands apotek/drogeri i Altglienicke (i dag en bydel i Berlin). Han utførte analyser av malmer, oljer, smøremidler og metaller. Her skaffet han seg erfaring som kjemiker, farmasøyt, materialforsker og vitenskapsmann, og oppnådde kunnskap og uavhengighet i å formulere forskningstemaer. Det er verdt å merke seg at han aldri glemte denne farmasøytiske praksisen; etter å ha returnert til Polen overrasket han familie og venner ved å lage utmerkede likører og retter, blant annet fra planter og sopp som ble ansett som uspiselige eller til og med giftige!
Senere jobbet han en kort tid ved laboratoriet til Kunheim & Co. i Niederschöneweide nær Berlin før han ble ansatt i Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft (AEG)-konglomeratet. Arbeidet hans ved Kabelwerk Oberspree og to år tilbrakt i deres forskningslaboratorier forberedte ham til å bli leder for forskningslaboratoriet for stål og jern. Han fokuserte på å bestemme kvaliteten og renheten til metaller, legeringer og halvfabrikata, samt kobberraffinering. Hans enorme flid og utholdenhet gjorde det mulig for ham, til tross for mangelen på formelle akademiske kvalifikasjoner, å delta på forelesninger om spesialkjemi ved Charlottenburg Polyteknikk nær Berlin.
Det sies at han også tok kurs ved Det kunstfaglige fakultetet ved Universitetet i Berlin, der han møtte sin fremtidige kone, Marguerite Haase, en pianist fra en nederlandsk familie bosatt i Berlin. Rundt 1910 mottok han den profesjonelle tittelen (eller stillingen?) som kjemingeniør. Fra 1911 til 1914 var han assistent for W. von Moellendorff, som han publiserte sin første artikkel om metallkrystallografi med, og spesifikt la grunnlaget for den senere teorien om dislokasjoner. Den unge Czochralskis hovedoppgave var å introdusere aluminium i elektronikk, banebrytende arbeid med produksjonsteknologi for aluminiumsplater, -tråder og -pressinger, studier av aluminiumslegeringer og standardisering av metallografisk forskning.
Metall og metallografi ble fra da av Czochralskis lidenskap. Han publiserte flere artikler, og tok for seg vanskelige og nyskapende temaer. Prestasjonene hans var betydelige og banet nye veier i vitenskap og teknologi. Czochralskis berømmelse vokste sakte.
Oppdagelsen av Czochralski-metoden
Den største berømmelsen ble brakt til Jan Czochralski gjennom metoden oppkalt etter ham, utviklet i 1916 som en metode for å måle krystalliseringshastigheten til metaller. I dag kan Czochralski-metoden beskrives slik: Materialet som skal krystalliseres, smeltes i en digel og avkjøles ved overflaten av smelten til stivningstemperaturen. En krystalliseringskime (en kapillær eller en passende orientert enkeltkrystall) føres inn i overflatelaget av smelten, hvorpå påfølgende krystallag begynner å vokse, orientert i henhold til kimens orientering. Kimen trekkes ut av smelten med en bestemt hastighet for å opprettholde kontakt mellom den voksende krystallen og smelten. Passende valg av trekkhastighet, gjensidig rotasjon av krystallen og digelen, temperaturfordeling i digelen og mange andre parametere påvirker størrelsen og kvaliteten på den resulterende enkeltkrystallen. For eksempel har enkeltkrystaller av silisium som brukes i halvlederindustrien vanligvis en diameter på omtrent 20 cm. En av metodens viktigste fordeler er muligheten til kontrollert å introdusere dopanter, noe som betyr at materialet ikke trenger å være “spektralt rent”.
Det er verdt å nevne at Czochralski også arbeidet med en annen metode for å produsere enkeltkrystaller – gjennom omkrystallisering av utgangsmaterialet. Han var også forfatteren av det første forsøket på en mikroskopisk teori om dette fenomenet.
I Frankfurt am Main
I 1917 overbeviste Czochralski endelig ledelsen i Metallbank und Metallurgische Gesellschaft A.G.-konglomeratet om å etablere et, for sin tid stort, metallurgisk laboratorium som kombinerte vitenskapelig forskning med verkstedsforsøk. Han flyttet til Frankfurt am Main og ble, i en alder av 32 år, skaperen og direktøren for et av de best utstyrte industrielle laboratoriene i Tyskland. Mange verdifulle vitenskapelige artikler og patenter ble utviklet der. Blant de mest bemerkelsesverdige patenterte materialene var en tinnfri lagerlegering for jernbaner, kalt metall B. Patentet fra 1924 ble kjøpt opp av verdens store økonomiske makter, inkludert USA, Frankrike og England. Det brakte oppfinneren en formue (de siste lisensoppgjørene stammer fra 1948!), men også andres misunnelse. Forsøk på å introdusere legeringen til polske jernbaner ble oppfattet som sabotasje og svekkelse av Polen. En rekke søksmål ble anlagt, som, selv om de ble vunnet av Czochralski, unødvendig etterlot et negativt inntrykk.
Det raskt utviklende feltet metallurgi fikk også en organisatorisk struktur. I 1919 grunnla Jan Czochralski, sammen med noen kolleger, Det tyske selskapet for metallurgi (Deutsche Gesellschaft für Metallkunde) og ble dets formann ved kongressen i Wrocław i 1925. Han skjulte ikke at han var polakk, likevel valgte tyskerne ham til leder for deres selskap! Det ble notert med anerkjennelse at han, mens han guidet den tyske presidenten Hindenburg gjennom den berømte tekniske utstillingen i Berlin i 1924, snakket til ham på polsk. Czochralski var også æresmedlem av Den internasjonale unionen for materialforskning i London.
Czochralskis arbeid var ikke begrenset til industrielle anvendelser. Hans grunnleggende forskning inkluderte banebrytende studier av anisotropien til enkeltkrystallers hardhet, som var betydelige for plastisk bearbeiding av materialer (arbeider fra 1913–1923). To håndbøker, senere oversatt til flere språk, ble publisert: Lagerlegeringer og deres teknologiske anvendelser (medforfatter G. Welter, 1920) og Moderne metallurgi i teori og praksis (1924). Mange av hans arbeider ble imidlertid klassifisert som bedrifts- eller militærhemmeligheter (også senere i Polen) og ble trolig aldri publisert. Det er kjent at bare i hans tid i Frankfurt forfattet Czochralski rapporter som til sammen utgjorde over 2000 sider!
Tilbake i Polen
Polen, gjenfødt etter første verdenskrig, trengte kunnskapen og ferdighetene til sine sønner som var spredt rundt i verden. Det var kjent at Jan Czochralski ikke hadde glemt hjemlandet sitt til tross for sin høye posisjon i tysk industri. Han returnerte til Polen på invitasjon fra presidenten, den anerkjente kjemikeren professor Ignacy Mościcki, og i 1929 tiltrådte han en stilling som professor ved Det kjemiske fakultet ved Warszawas teknologiske universitet.
Han mottok også en av de første æresdoktorgradene fra universitetet. Nok en gang bygde han opp sitt verksted – Instituttet for metallurgi og materialvitenskap ved universitetet og Instituttet for metallurgi og materialvitenskap, som hovedsakelig arbeidet for forsvarsdepartementet. Begge disse vitenskapelige institusjonene var utstyrt med det aller seneste. Professor Czochralski organiserte også den metallurgiske seksjonen ved Det kjemiske forskningsinstituttet (ChIB) i Warszawa, et av landets mest fremtredende uavhengige forskningsinstitutter, etablert for å utvikle metoder for å utnytte Polens råmaterialressurser til polsk industri. Begge de moderne utstyrte institusjonene utførte også betydelig forsvarsrelatert arbeid på oppdrag fra forsvarsdepartementet. Czochralski tok også over Instituttet for forskning på våpenmaterialer.
Ved disse institusjonene fortsatte professor Czochralski forskningen han hadde begynt i Tyskland. Han forble engasjert i å måle krystalliseringshastigheter for metaller, elastiske egenskaper til metaller og legeringer, og deres korrosjon i ulike gassatmosfærer.
Det er verdt å merke seg at i mai 1939 anså professor Walter Gerlach (en kjent fysiker, senere involvert i plyndringen av Warszawas universitets fysikkinstitutt i 1939) at Czochralskis institutt var bedre utstyrt enn mange tyske anlegg, selv om han kun ble vist den sivile delen. I sin rapport skrev han: “(…) Det jeg så i dette instituttet er blant det vakreste jeg noensinne har sett, kun sammenlignbart i Tyskland med industrielle forskningsinstitutter. Det inneholder alle tenkelige eksperimentelle apparater og hjelpemidler for ren metallurgi, metallkemi, metallfysikk og metallbearbeiding. Det virker for meg primært som et forskningsinstitutt, men undervisning tas også i betraktning; for disse pedagogiske formålene finnes førsteklasses hjelpemidler og apparater. Jeg kan ikke uttale meg om instituttets størrelse, men jeg anslår at det er fire ganger større enn professor Debyes nye institutt i Dahlem.” Czochralski var også interessert i Polens økonomiske utvikling. Flere artikler fra dette området har blitt bevart. En særegen gåte er en oppføring innen økologi funnet i McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms (s. 408, 3. utg., 1984). Kan også økologi ha interessert ham?
Han investerte formuen han tok med seg tilbake i polsk industri og allokerte den til sosiale formål. Blant annet støttet han studenter, kunstnere og forfattere og bidro til museer. Salongene i hjemmet hans var kjent som et møtested for Warszawas kunstnermiljø. De forble slik under krigen og fikk ny betydning ved å tilby støtte og tilflukt for kunstnere i spesielt vanskelige situasjoner. Det var der, blant annet, at en serie skulpturer av A. Karny, inkludert portretter av salongens vert, ble bestilt av Czochralski. Han deltok aktivt i aktivitetene til Det polske kjemiske selskapet, Foreningen for polske mekanikere og Foreningen for polske metallurger. Allerede før krigen ble det gjort forsøk på å fremstille Jan Czochralski som en usurpator av universitetsstolen og en fiende av den polske staten. Presserapporter fra rettssaker som professoren vant viser imidlertid en dyp følelse av tilknytning til nasjonen og en tjenende holdning demonstrert i mange av hans tiltak.
Jan Czochralski returnerte også til sin hjemby Kcynia, der hans mor fortsatt bodde. Han oppfylte dermed sitt ungdomsløfte – han var berømt og velstående, men glemte ikke røttene sine. I Kcynia hadde han sitt andre hjem. Han var svært interessert i alt relatert til hjemregionen sin og støttet både arkeologisk forskning og geologiske søk etter oljeforekomster.
Krigens tragedie
Andre verdenskrig avbrøt professorens vitenskapelige arbeid og ble en spesielt dyptgripende opplevelse for ham. Som polakk og tidligere fremtredende preussisk borger gift med en tysk kvinne, sto han overfor spesielle påtrykk fra tyskerne, som ønsket å se ham som en mellommann mellom okkupasjonsmyndighetene og polakkene. Czochralskis holdning var utvetydig – han samarbeidet ikke. I stedet brukte han sin kunnskap om tyskere på en annen måte. Allerede vinteren 1939, på anmodning fra personalet ved hans institutt, organiserte han en serviceorientert virksomhet – Avdelingen for materialforskning. Denne avdelingen, opprettet med viten og samtykke fra den daværende rektoren ved det oppløste Warszawas teknologiske universitet, professor K. Drewnowski, var sannsynligvis et eksperiment. Det var et forsøk på å redde universitetsansatte, gjennomført av noen som uten stor risiko kunne teste om tyskerne ville tillate arbeid basert på spesifikke bestillinger fra polske og tyske selskaper (ekspertise, produksjon av små reservedeler). Forsøket lyktes, og kort tid etter ble flere lignende avdelinger etablert ved universitetet og polyteknikken på samme prinsipper.
Avdelingen ga arbeid og sikkerhet (ved å utstede passende dokumenter) til dusinvis av mennesker i det okkuperte Warszawa, inkludert ansatte ved polyteknikken og ChIB, samt fiktivt ansatte medlemmer av Hjemmearmeen (AK). I tillegg til vanlige bestillinger ble våpenkomponenter bestilt av AK produsert, og elektriske deler av V-1- og V-2-raketter ble ødelagt ved smelting etter å ha blitt studert av professor Janusz Groszkowski. Å ikke slutte seg til den tyske tekniske skolen etablert av tyskerne i 1942 kan sees som et forsøk på å understreke polsk identitet, en manifestasjon av å ikke støtte den endelige likvidasjonen av det polske polytekniske instituttet og å ikke godkjenne tyskernes handlinger i det okkuperte Warszawa. Samarbeidet med AK, redningen av personer fengslet av tyskerne, støtten til det jødiske ghettoen i Warszawa, redningen av ødelagte museumsamlinger, støtten til polske forfattere og kunstnere samt redningen av polyteknikkens eiendeler etter Warszawa-oppstanden – alt dette var naturlige aspekter ved Czochralskis aktiviteter under krigen. Han anså det som sin plikt som polakk å bruke sin eksepsjonelle kunnskap om tysk psykologi og språk for den polske saken, til tross for risikoen for å fremstå som en kollaboratør med okkupantene. Og faktisk, under krigen undersøkte AK’s kontraetterretning rapporter mot Czochralski, men ingen betydelige repressalier ble tatt mot professoren (og det kunne bare ha vært én – døden!). I april 1945 ble professoren arrestert på alvorlige anklager om “samarbeid med de tyske okkupasjonsmyndighetene til skade for sivile eller den polske staten”. Etterforskningen utført av den spesielle straffedomstolen i Łódź fastslo at det ikke var noe grunnlag for å tiltale Czochralski eller hans familie. Som aktor senere skrev: “Czochralskis aktiviteter under okkupasjonen utgjorde på ingen måte samarbeid med okkupanten og kunne ikke klassifiseres som forræderi mot den polske nasjonen.” I august 1945 ble etterforskningen avsluttet på grunn av mangel på bevis for skyld.
Epilog
Forbitret returnerte professor Czochralski til hjembyen Kcynia. Han takket nei til et tilbud om å flytte til Østerrike, akkurat som han en gang hadde avvist et tilbud fra Ford og i stedet valgt å vende tilbake til hjemlandet. Han visste at hans plass var i Polen. Nå grunnla han, sammen med familien, BION Kjemiske Verk, som produserte ulike kosmetikk- og apotekprodukter, inkludert det berømte “nysningspulveret med en due”. Dermed ble livets sirkel lukket: Kcynia – Berlin – Frankfurt am Main – Warszawa – Kcynia. Jan Czochralski returnerte til Kcynia og til den farmasøytiske-apotekkjemiske verden.
Professoren døde av hjertesykdom i Poznań den 22. april 1953 og ble begravet på den gamle kirkegården i hjembyen Kcynia. Professor Jan Czochralski var utvilsomt en fargerik, men tragisk skikkelse. Ulike beretninger tegner et bilde fullt av motsetninger. En fremragende forsker, observatør og praktiker innen eksakte og tekniske vitenskaper. Samtidig en humanist med brede interesser. Han skrev vitenskapelige artikler og poesi. Han støttet fabrikker og unge kunstnere. Han finansierte stipender for studenter i Tyskland og Polen. Han var vidt kjent før krigen og glemt etter den. For noen var han kald og upopulær (fordi han var krevende og reservert); andre beundret hans sjarmerende smil og tillit til menneskeheten. Han kjente sin egen verdi, oppnådd gjennom hardt arbeid, og lot seg ikke håne eller nedvurdere. Han anerkjente kulturens enorme rolle i en nasjons og en persons liv, og derfor engasjerte han seg i kunstnerisk mecenatvirksomhet. Datteren hans skrev vakkert om ham:
«Hjemlandet fremfor alt – dette var fars ledende tanke. Han tenkte på det, arbeidet for det, vant berømmelse for det og led så mye for det.«
Men å anerkjenne hans oppdagelser som en integrert del av den polske arven krevde tid og møysommelige anstrengelser både i Polen og i utlandet.
