Творческое объединение
Год

От редакции

В 2009 г. исполнилось 100 лет со дня рождения доктора физико-математических наук, профессора Овсея Ильича Лейпунского (Институт химической физики – ИХФ АН СССР), ученика Я.Б. Зельдовича и Н.Н. Семенова. О.И. был выдающимся химико-физиком, автором способа синтеза алмазов (1939), применяемого ныне индустриальными странами. Во время войны О.И. совместно с Я.Б. Зельдовичем разработал принципиально новую теорию внутренней баллистики ракет с пороховыми двигателями типа «Катюш», что позволило увеличить на порядок вес заряда и дальность полета. Он был первым в СССР, кто, работая в Атомном проекте СССР создал основы радиометрии и дозиметрии радиоактивных излучений; за это он был награжден Сталинской премией и орденом Ленина после первого испытания советской атомной бомбы в 1949 г. В 1960-х гг. О.И. возглавил работу в ИХФ по созданию твердых ракетных топлив. Умер в 1990 г. Похоронен на Востряковском кладбище (еврейский участок) в Москве.

Овсею Ильичу вместе с его братом, академиком Александром Ильичом Лейпунским и сестрой профессором, физиком Дорой Ильиничной Лейпунской посвящена книга Б.С. Горобца «Трое из Атомного проекта: секретные физики Лейпунские». Москва, ЛКИ, 2008 (в 2009 г. вышло ее 2-е издание под названием «Секретные физики Атомного проекта СССР: семья Лейпунских»).  Мы ужепубликовали фрагменты этой книги: см. альманах "Еврейская Старина", №4(51) 2007. В настоящем номере мы предлагаем читателю еще одну главу этой книги, в которой повествуется об истории открытия О.И. Лейпунским и реализации в Швеции, США и СССР современного способа синтеза алмазов.

Алмазы и «акулы»

Эта история началась в 1938 г. После увольнения Овсея Ильича из Института химфизики за отказ осудить только что арестованного брата Александра он был вынужден перейти к эпизодическим заработкам: писал обзорные и научно-популярные статьи в журналы. Как-то журнал «Знание – сила» заказал ему статью об алмазе с анализом перспектив его синтеза. Поскольку до увольнения из ИХФ О.И. Лейпунский занимался химическими реакциями при высоких давлениях, то он уже делал там прикидки термодинамических параметров, при которых могла бы возникнуть алмазная фаза. Заказ на научно-популярную статью был исполнен. Чуть позже, в 1939 г. в авторитетном советском журнале «Успехи химии» [Лейпунский, 1939] появилась большая научная статья О.И. Лейпунского с подробными расчетами, графиками и таблицами, в которой были найдены достаточно точные и надежные параметры синтеза алмаза.

О.И.Лейпунский

Уже давно было доказано, что алмаз состоит из чистого углерода, как и графит, и потому многие пытались получить алмазы искусственным путем из графита. При сжигании алмаз, действительно, превращался в графит, однако обратный процесс не происходил даже при максимально достижимых тогда температурах порядка десяти тысяч градусов. Поскольку алмаз значительно плотнее графита, то ученые предполагали, что для его получения нужна не только высокая температура (Т), обеспечивающая подвижность атомов углерода, но и высокое давление (р), чтобы заставить кристаллизоваться углерод не в виде довольно рыхлой решетки графита, а в виде более плотной кристаллической решетки алмаза.

Если для любого вещества построить диаграмму, на которой по одной оси координат откладывать температуру, а по другой давление, то каждой точке диаграммы будет соответствовать одно из трех агрегатных состояний – твердое тело, жидкость или газ. Такая диаграмма, которую называют фазовой, будет разделена на три области граничными линиями, соответствующими точкам перехода из одного состояния в другое. К 1930-м гг. ученые уже начали понимать, что попытки получить алмаз из графита не удавались, потому что все значения температуры и давления, т. е. точки фазовой диаграммы, в которых проводились опыты, находились в области устойчивости графита. Однако к тому времени еще не было возможности достигнуть давления выше, чем 50 килобар при температурах свыше 1500 К. Не было известно и самой фазовой диаграммы для углерода в области столь высоких р, Т – ни полученной экспериментально (по причине недостижимости), ни рассчитанной теоретически.

В 1938 г. появилась статья известных физико-химиков Ф. Россини и Р. Джессупа, содержавшая сводку термодинамических потенциалов и констант для алмаза и графита до температуры 1400 К (т. е. до примерно 1 100оС). О.И. решил продолжить расчеты в область более высоких температур методом экстраполяции. Он хотел добраться до области, в которой оказалась бы устойчивой алмазная и неустойчивой графитовая фаза. Экстраполяция – это метод продолжения графика или таблицы значений (как бы по инерции) в ту область, в которой он пока не определен экспериментально. Такой прием очень важен и часто применяется. Но он рискован и требует веских обоснований (физических, химических, математических) того, что отклонение экстраполируемой характеристики от истинной неизвестной не будет слишком большим на некотором продлеваемом участке значений.

О.И. провел экстраполяцию методом интегрирования термодинамического потенциала углерода при температурах от 1 400 до 3 400 К. При этом он физически обосновал допустимость пренебрежения сжимаемостью и расширением графита, а также справедливость приближенного равенства теплоемкостей алмаза и графита, которые входили в интегралы как формально переменные величины. Он нашел следующий аналитический вид уравнения линии равновесия на диаграмме алмаз–графит в области температур выше 1400 К:

(температура в кельвинах, давление в килобарах). О.И. показал, что погрешность данной формулы составляет 10-12 %, что вполне приемлемо для практических целей синтеза алмаза. Теперь можно было выбирать точки фазовой диаграммы, т. е пары значений р, Т, при которых кристаллизуется именно алмаз, а графит неустойчив.

«Перестройки в решетке алмаза начинаются с 1 700-1 800оС, и при этой температуре нет оснований ожидать, что решетка графита будет устойчивее. Поэтому температура в 2 000 К (1727оС) является минимальной для получения алмаза из графита в твердой фазе, причем опыт должен производиться при таком давлении, когда алмаз при этой температуре устойчивее графита, т. е. при давлении порядка 60 000 ат», – писал Лейпунский. Вместе с тем он указывал, что этих двух условий недостаточно. Третье условие – подбор среды нахождения углерода, в которой можно было бы, не теряя в его подвижности, одновременно понизить температуру и давление кристаллизации алмаза, поддерживая эти параметры в подходящей области в течение хотя бы нескольких минут (так как долго поддерживать высокие р, Т очень трудно). В качестве такой среды (играющей роль катализатора) О.И. предложил жидкие металлы: железо, платину, родий. Несмотря на то, что давно уже было известно о хорошей растворимости углерода в железе (до 3,5 % при 1 500 К), ранее никто не додумался использовать это свойство при синтезе алмазов.

Построив адекватную количественную теорию синтеза алмазов, О.И. дал следующий прогноз: «Техника высоких давлений в настоящее время позволяет поддерживать в течение длительного времени давление 50 000 ат (Бриджмен[1]). Дальнейшее увеличение этого предела до 60 000-70 000 ат, по-видимому, осуществимо, хотя оно потребует очень большого труда при подборе соответствующих твердых сплавов. Нагрев графитовой массы до 2000оС при большом давлении представляет меньшие трудности и может быть осуществлен изнутри (Бассэ, Лейпунский). Но все же опыт при 60 000-70 000 ат является опытом будущего, хотя, может быть, и весьма недалекого».

В неопубликованных ранее записках воспоминаний (переданных нам Ильей Овсеевичем Лейпунским для данной книги) О.И. Лейпунский писал: «Я пытался (с помощью академика А.Е. Ферсмана) заинтересовать Министерство нефтяной промышленности. Но на специальном совещании в Главке, ведающем бурением и твердыми материалами, было заявлено, что им не нужно алмазов. Тогда я, рассказав о моих результатах и планах Л.Ф. Верещагину (работавшему тогда у академика Н.Д. Зелинского), предложил ему написать совместную докладную записку во Всесоюзный Совет Народного Хозяйства об организации специальной лаборатории для изготовления алмазов. Ответа мы не получили, наступила предвоенная пора. Пришлось констатировать, что алмазами заниматься нельзя».

…Позже предсказание О.И. сбылось в точности, но только без участия самого Лейпунского. В его служебной характеристике, выданной в конце 1960-х гг. в ИХФ и подписанной Н.Н. Семеновым, сказано: «Лейпунский разработал в 1939 г. правильную теорию превращения графита в алмаз. Теория была практически подтверждена получением через 15 лет в ряде лабораторий алмазов в условиях, сформулированных Лейпунским».

Как это обычно бывает в «цивилизованном» мире, когда крупнейшее открытие получает общественное признание, там начинается дележка «шкуры медведя» и «раздача слонов». При этом иногда самого первооткрывателя не замечают, оттесняют от его теории и открытия. На этот раз такая «технология» удалась полностью, по крайней мере, на первом этапе. У Лейпунского не было ни акульих зубов, ни аппетитов, как у его последователей по открытию. Он – человек другой породы, иной культуры. К тому же, он давно уже работал в несмежной научно-технической области, занимаясь контролем радиации от ядерных взрывов. Поначалу Лейпунский даже не знал о том, какая коммерческо-патентная война происходила в середине 1950-х гг. между синтезаторами алмазов – фирмами США и Швеции, как первая сторона пытается надуть вторую и как вторая сторона защищается, используя как раз имя и приоритет самого Лейпунского…

Но все по порядку.

Первыми алмаз синтезировали шведы. 17 февраля 1953 г. это, наконец, удалось специалистам фирмы ASEA (Allmanna Svenska Elektriska Aktiebolaget): инженеру Эрику Лундблату, механику Валину и ассистенту Эрикссону. Шведы хорошо изучили статью О.И. Лейпунского от 1939 г. и использовали все три необходимые условия: давление, температуру и среду-растворитель (железо). И все же алмазы долго не получались. Сначала блок высокого давления разрывало на части. Додумались даже стягивать его рояльными струнами, это увеличило прочность на порядок. Каждый раз струн наматывали по 300 км. После опыта все это разматывали и в грязном спеке искали алмазы.

Но вот однажды… Рассказывает Э. Лундблад. «Начали в 8 утра, сняли давление в 10. Извлекли спекшийся материал из камеры уже после обеда, часа в три. В те времена это длилось долго – пока все расковыряешь – медь, тальк, спекшееся железо. И когда на этот раз вскрыли пробу, мы сразу увидели: что-то не так. Мы считали, что у нас держалось около 80 тысяч атмосфер и примерно 2 500 градусов минуты две <…>. В серой затвердевшей массе были зерна – множество мелких кристалликов, зеленоватых, желтоватых, черных. Часа через два у нас была рентгенограмма, сделанная тут же в лаборатории, и она не оставляла сомнений – это были кристаллики алмаза!» [Черненко, 1972].

Крошечные алмазы в сотые доли миллиметра были уже вполне пригодны в качестве абразивной пудры. Фирма получила заказы и развернула производство алмазного порошка. Одновременно она вела поиск условий выращивания более крупных кристалликов. При этом шведы ничего не публиковали о своем достижении, и, по-видимому, на мировой приоритет не претендовали, зная о Лейпунском. Но и признавать публично приоритет последнего не спешили. Холодная война была в разгаре. Очевидно, шведы, понимали, что пришлось бы вступать с СССР в очень непростые отношения по проблеме использования чужой промышленной технологии, имеющей в широком смысле и военное значение. Пекли себе алмазы по-тихому, и ладно. Но у «империалистических акул» за океаном были совсем другие повадки и аппетиты.

Два года спустя, 16 декабря 1954 г. американская компания «Дженерал электрик» (далее «ДжЭ») синтезировала свои первые алмазы. В их опытах давление достигало 86 тысяч атмосфер при температуре 1 560 С. Американцам удалось получить кристаллики размером почти в миллиметр. Американцы – не шведы, на Лейпунского им было наплевать, а СССР – вообще враг номер 1. И они сразу стали считать себя первооткрывателями способа синтеза алмазов, запатентовав свое достижение. Немедленно после своей публикации об этом успехе резко подскочили акции «ДжЭ», она стала получать огромные заказы. Патентование в ФРГ на крупнейшем мировом рынке алмазов стало приносить большую прибыль. Как сообщала журналистка Е. Альбац [1984], стоимость за один карат (0,2 г) составляла 3,5 доллара (тогда доллар котировался на порядок выше, чем сейчас). Применение синтетических алмазов позволяло увеличить производительность машиностроения примерно вдвое! К 1970 году Г. Стронг и Р. Уинторф научились выращивать крупные кристаллы алмаза весом до одного карата (объем кубика со стороной примерно 0,4 см). В расплавленном железе при 1 400оС и давлении 57 килобар, при скорости роста от 1 до 2,5 мг /час процесс занимал несколько дней.

Агрессивная алмазная политика американцев дошла до того, что они стали давить шведских производителей алмазов, не давая им возможности торговать на мировом рынке. Шведы думали долго, но, наконец, в 1968 г. они подали на американцев в Мюнхенский патентный суд. Самое пикантное состояло в том, что шведы оспорили патентную чистоту американского способа, потребовав аннулировать патент ДжЭ, на том основании, что заявленный в нем способ был ранее опубликован в СССР О.И. Лейпунским!

Но, может быть, американцы, в отличие от шведов, не читали статьи Лейпунского и «согрешили», будучи в добросовестном заблуждении? – Отнюдь! «"ДжЭ" не могла не знать о моей работе, потому что о ней знал Бриджмен», – констатировал О.И. в своей пояснительной записке под названием «Соображения в связи с иском "Дженерал электрик"», направленной в Госкомитет по делам изобретений и открытий при Совмине СССР. И далее О.И. называет статью Бриджмена в журнале «Кемикал Физикс» (Т. 15, С. 92, 1947), в которой была ссылка на его, Лейпунского, ключевую статью о синтезе алмаза. Далее в записке указывается: «Бриджмен в упомянутой статье пишет, что средства на работу были получены от "ДжЭ", т. е. Бриджмен в своих планах и результатах был подотчетен этой компании».

Таким образом, до достижения успеха в получении алмазов американцы ссылались на статью Лейпунского, но сразу после успешного синтеза сделали вид, что не существует ни этого советского физика, ни его приоритетной работы. Решили сами патентовать способ синтеза алмазов. А нейтральных шведов американцы не только проигнорировали, но еще и начали гнать с рынка, ведь ни патента, ни публикаций по данному способу у шведов не было.

Американцы, наверное, не ожидали, что шведы, в конце концов, обратятся в патентный суд. Что там, в суде происходило, точно не известно. Шведы процесс могли проиграть, так как «подсуетился» игравший на их стороне «нейтральный» эксперт из Франции, крупный инженер по оборудованию для высоких давлений Борис Водар. Он дал заключение, благоприятное для американцев, что, мол, по данным из статьи Лейпунского невозможно получить алмазы. Заключение было написано с нарочитыми передержками и умолчаниями, рассчитанными на неспециалистов. На это указывал О.И. Лейпунский, которого к делу привлекла Торгово-промышленная палата СССР, наблюдавшая за процессом. О причинах такой заведомо спекулятивной позиции Водара можно только догадываться. Годы спустя Водар посетил киевский Институт сверхтвердых материалов. Ему показали пресс, который работал в точности по диаграмме Лейпунского. На этом прессе получали две тысячи карат алмазов в день. А над прессом висел портрет О.И. Лейпунского. Очевидцы говорят, что Водар был смущен… Что касается тяжбы между американцами и шведами, то, в конце концов, между ними был достигнут какой-то темный компромисс, и шведы свой иск отозвали. О.И. Лейпунский считал, что «ДжЭ», по-видимому, втайне выплатила фирме «ASEA» неплохие отступные деньги.

Если бы только это! Тогда для нас было бы полбеды и даже меньше. Но среди русских ученых, с самого начала участвовавших в «алмазном деле», тоже оказались американоподобные экземпляры акул. Леонид Федорович Верещагин (1909-1977), химик, которого Лейпунский посвятил еще перед войной в свой замысел синтеза алмазов, в 1960 г., наконец, сумел получить искусственные алмазы в своей лаборатории сверхвысоких давлений. Это был огромный успех. На Верещагина сразу посыпались награды. В 1961 г. Л.Ф. Верещагин получил Ленинскую премию, в 1963 г. стал Героем Социалистического Труда, а еще через три года – академиком. Вместе с Верещагиным Ленинскую премию получили Ю.Н. Рябинин и А.А. Семерчан.

Правительство резко увеличило финансирование лаборатории Верещагина, ее преобразовали в Институт физики высоких давлений (ИФВД) АН СССР, построенный под Москвой в пос. Красная Пахра. Верещагин стал его директором. Одновременно в Киеве был создан Институт сверхтвердых материалов (директор В.Н. Бакуль), который разрабатывал технологию и инструментарий для применения алмазов в промышленности (шлифовально-полировальные диски, алмазные пилы, резцы, буровые коронки и т.д.). Советская промышленность стала получать с каждым годом все большие объемы искусственных алмазов. За 20 лет (1963-83) сумма прибылей от их применения составила 10 миллиардов рублей (т. е. порядка 10 млрд. долларов по тогдашнему курсу).

Но Верещагин не включил в список претендентов на «Ленинку» О.И. Лейпунского, хотя еще в 1957 г. он ссылался на его приоритетную статью. Однако после своего успеха в синтезе в 1960 г. ссылаться перестал (действуя точно так же, как американцы). Очевидно, решил, что «Боливар не вынесет двоих». В своей обзорной работе об искусственных алмазах в книге «Развитие науки в СССР» (Москва, Наука, 1967, кн.1) Верещагин даже не упомянул Лейпунского.

Верещагин с Бакулем начинают успешно руководить промышленностью искусственных алмазов в СССР и даже пробуют их продавать за рубеж через Внешторгобъединение «Станкоимпорт» – в первую очередь, в ФРГ, где действует международный рынок этого товара. И вот тут коса натыкается на камень, «акулы» из двух сверхдержав входят в прямое столкновение.

В декабре 1969 г. «ДжЭ» подает на СССР в Мюнхенский патентный суд: русские без патента торгуют алмазами в стране, в которой действует американский патент. «ДжЭ» требует от СССР уплатить штраф в несколько миллионов долларов и убираться с международного рынка. Ах, если бы Верещагин в своем внутреннем патенте (который у него был, но действовал только в пределах СССР) хотя бы сослался на работу Лейпунского! Вряд ли американцы осмелились бы тогда отрицать приоритет последнего. А так они поняли: среди русских нет единства, они сами в лице их «алмазного» лидера Верещагина отрицают действенность способа Лейпунского, даже не включили его в группу, премированную высшей наградой СССР. Значит, русских можно игнорировать.

В начавшемся международном конфликте Верещагин оказался беспомощным. Он уже готов был капитулировать, советуя своему правительству уплатить штраф американцам и уйти с международного рынка. Однако дело спас сотрудник Верещагина, который посоветовал расстроенному Бакулю, в то время основному производителю искусственных алмазов в СССР, разыскать О.И. Лейпунского и попросить его провести экспертизу «заключения» Водара.

Позже, в представлении 5 января 1971 г. работы О.И. Лейпунского от 1939 г., выдвинутой на признание ее открытием, два вице-президента АН СССР В.А. Котельников и Н.Н. Семенов написали:

«Так как патент Л.Ф. Верещагина имеет только внутреннее значение, то это дало возможность Дженерал Электрик предъявить к нам иск о нарушении ее патентных прав в ФРГ и о возмещении убытков. В ответ на этот иск наши организации, используя, в частности, статью О.И. Лейпунского 1939 г. и сделанное им разъяснение отдельных обстоятельств спора, <…> опротестовали патент Дженерал Электрик. В настоящее время в основе промышленного синтеза алмазов во всех странах лежат теоретические результаты, опубликованные О.И. Лейпунским. В то же время, ученые в своих публикациях об успешном синтезе алмазов не в достаточной степени ссылаются на статью О.И. Лейпунского. Это наносит ущерб приоритету советской науки в такой важной области, как синтез алмазов <…>» (копия документа из личного архива О.И. Лейпунского).

Встретив жесткое сопротивление с советской стороны в форме экспертного заключения, которое составил О.И. Лейпунский, и утвердила Академия наук, американцы отступили, и продажи наших алмазов в ФРГ возобновились. А в СССР О.И. Лейпунскому выдали диплом об Открытии. Более того, в 1982 г. Институт химфизики выдвинул его за теорию синтеза алмазов на Государственную премию. Но премии О.И. не получил. Тому причиной была тонкая техника проволочек со стороны коллег-«алмазников». Вот что мне рассказал об этом физик-теоретик из ФИАНа Ю.М. Брук, работавший в 1970-80-е гг. в Институте физики высоких давлений.

Академики А.И. Шальников, Я.Б. Зельдович и Ю.Б. Харитон, хорошо знавшие О.И. и все обстоятельства алмазного дела, обратились в ИФВД по линии Комитета по Ленинским и Государственным премиям (как члены экспертного совета при этом Комитете) с просьбой поддержать кандидатуру Лейпунского. В это время сам Верещагин был серьезно болен, но, очевидно, руководство ИФВД согласовывало с ним линию поведения. И.о. директора Евгений Яковлев заявил на Ученом совете института, что они, конечно, должны поддержать просьбу столь высоких и уважаемых людей… Одновременно начались какие-то уточнения и проволочки. В результате искусственно усиленного бумаговорота официальная рецензия ИФВД, поддерживающая Лейпунского, поступила в Комитет по премиям чуть позже положенного предельного срока. По формальным причинам работу Лейпунского были вынуждены отклонить, как не представленную вовремя. Так что Государственной премией за способ синтеза алмазов родное государство так и не наградило Овсея Ильича.

Однако год спустя в органе ЦК КПСС газете «Правда» от 26 июня 1984 г. (ни одну строчку из которой не полагалось подвергать сомнению) была опубликована статья Ф. Рудича, зав. отделом науки ЦК КП Украины, посвященная синтетическим алмазам. В ней говорилось: «Экономический эффект от их использования в народном хозяйстве превышает миллиард рублей <порядка миллиарда долларов> в год. Хотя сказанное достаточно известно, возможно, лишь специалисты знают, что в успехе решающую роль сыграли приоритетные для советской науки работы физика профессора О.И. Лейпунского».

Литературные ссылки:

Лейпунский О.И. Об искусственных алмазах. //Успехи химии. – Т. 8. – Вып. 10. –С. 1519-1534.

Черненко М.Б. Интервью о первом алмазе. // Химия и жизнь, 1972. – № 3. – С. 44-48.


Еще - Борис Горобец

Секретные физики Лейпунские

Другие статьи

English & Me
Мелюзга
Все мы были тогда ХУ...
Самиздат "Зеркало-1"
Сценарий "ПОПЕРЕК ВРЕМЕНИ"
Хронология КСП