Наука о стекле — один из наиболее важных разделов в естественнонаучном наследии Михаила Васильевича Ломоносова.
Наука о стекле как область физико-химических исследований родилась на стыке химии и физики, то есть в пределах новой науки — физической химии. С поправками на общие изменения в естествознании можно говорить, что методологические особенности, методики как таковые, и роль в теории познания физической химии как науки были заложены М. В. Ломоносовым. Подход, который свойственен деятельности учёного в исследований силикатов и, в частности, стёкол, мало чем отличается от того, который имел место на протяжении более чем ста последовавших лет, причем как в теории так и на практике, в области развития технологий. М. В. Ломоносовым проведено огромное количество исследований стёкол, он заложил основы производства цветных стекол, им выработана методика варки смальт, которые получили применение в создании возрождённых им мозаик.
Лаборатория. Гипотеза, эксперимент, технология В своей Химической лаборатории М. В. Ломоносов в 1752—1753 годах впервые за всю историю науки читал курс физической химии студентам академического университета. А разрешение на строительство этой лаборатории он смог получить только после трёхлетних усилий — это была первая научно-исследовательская и учебная лаборатория в России.
...без лаборатории принуждён только одним чтением химических книг и теориею довольствоваться, а практику почти вовсе оставить и для того от ней со временем отвыкнуть.
В октябре 1748 года, когда она, наконец, была построена, и получила оборудование, изготовленное по чертежам и проектам самого учёного, он начал проводить в ней экспериментальные исследования по химии и технологии силикатов, по обоснованию теории растворов, по обжигу металлов, а также — осуществлял пробы руд.
Здесь он провёл более 4 тысяч опытов, разрабатывая технологию цветных стёкол — прозрачных и непрозрачных («глухих» — смальт)Причём весь этот огромный труд учёному пришлось проделать в полном одиночестве — "лаборатора" ему дали после многочисленных обращений на сей предмет; Шумахер сопроводил удовлетворение этого требования такими словами: «…хотя бы г. профессор Ломоносов и никаких других дел, кроме химических, не имел, однако необходимо надобен ему лаборатор или такой человек, который с огнём обходиться умеет, понеже профессор сам того ещё не знает, да и упражняясь в теории, столь скоро тому не научится. Ежели ему такой человек придан не будет, то он больше сосудов испортит и больше материалов потратит, нежели столько жалованья приданный ему человек получит, и ничего особливого не сделает». Эту методику он применил в промышленной варке цветного стекла и при создании изделий из него.
Самое слабое место в стекольном производстве того времени — крайняя скудость палитры исходного материала и, как следствие того — окраски выпускавшихся изделий: большая часть производившегося Санкт-Петербургским стеклянным заводом была бесцветна, и лишь малая — окрашена в синий и зелёный цвета. В Европе, например, известный германский стеклотехник-алхимик Иоганн Кункель ещё в XVII столетии в совершенстве овладел возрождённым им способом получения красного стекла — «золотого рубина» (ещё римляне знали эту технологию, подразумевающую включение золота в состав шихты — отсюда название, но она была утрачена). Между тем, и Кункель унёс в могилу тайну этой красоты, оставив записку такого содержания: «Так как этот секрет стоил мне больших трудов, стараний и забот, то пусть никто не сочтёт дурным, что я не делаю его сейчас достоянием всех». И одним из первых, кто вновь открыл её секрет, заново разрабатывая технологию «золотого рубина», был М. В. Ломоносов.
Возможную причину особого интереса учёного к стеклу высказывает Н. Н. Качалов, отмечая, что большинство исследователей склоняется к мнению об увиденных М. В. Ломоносовым в 1746 году итальянских мозаичных картинах, которые возбудили в нём желание во что бы то ни стало воспроизвести их. Другое мнение о природе этого интереса указывает: к решению задачи по изготовлению цветных стёкол его побудили увиденные в 1734 году в Киеве мозаики, однако Н. Н. Качалов напоминает, что сама эта поездка — факт недостоверный. В то же время, по его мнению, нельзя оставить без внимания близкое знакомство учёного со стёклами и другими силикатными расплавами в процессе изучения им технологии горнорудного и металлического дела, где шлаки занимают очень важное место — ведь именно в этой области он специализировался во время своей учёбы за границей.
Но последовательно его привлечение к промышленному стеклоделию развивалось следующим образом. В 1751 году Стеклянный завод обратился в Академию наук через Канцелярию от строений с просьбой передать результат научных работ по цветному стеклу знаменитого, «обретающегося при Академии наук советника и профессора господина Ломоносова». Это поручение Академия передала М. В. Ломоносову, и он соглашается «сие искусство открыть присяжному честному и трезвому человеку, который мог бы притом понять химические процессы, которые по сему делу знать необходимо нужно».
Во времена М. В. Ломоносова во всём мире искусство производства стекла, основываясь исключительно на эмпирических данных, находилось в руках научно необразованных практиков, так называемых «арканистов», то есть «знатоков тайн». Формально рудименты алхимических принципов ещё главенствовали в практике, развивавшейся под покровительством вольфовских метафизических концепций о духообразных флюидах и прочих «чудищах», по словам М. В. Ломоносова. И его заявление о необходимости знания химии для варки стекла звучало ересью, но он в своём мнении уже не был одинок — создатель отечественного фарфора Д. И. Виноградов, уже известный нам однокашник М. В. Ломоносова, пишет: «…дело порцелина (фарфора) химию за основание и за главнейшаго своего предводителя имеет». Считая вздорными требования М. В. Ломоносова к научной подготовке ученика, чиновники, тем не менее, не решаются противоречить строптивому профессору и отсылают в его распоряжение грамотного человека в лице «архитектурного ученика» Петра Дружинина (в таком отношении к учёным уже начало сказываться то, что «Пётр своей тяжёлой десницей сумел внедрить „решпект“ к науке» — чиновничество уже боится открыто возражать против её авторитетного мнения — и неслучайно А. С. Пушкин именует М. В. Ломоносова «великим сподвижником Великого Петра»).
Учёный был очень хорошим систематизатором, что, конечно, сказывалось в последовательном ведении определённых изысканий, когда требовалось многие закономерности подчинять строгой системе, дабы они служить могли правильному развитию поиска, без возвращения к уже пройденным опытам, — пониманию существующих зависимостейОсобенность его исследовательского стиля отмечает, со ссылкой на Будиловича, разбиравшего черновые тетради М. В. Ломоносова, Н. А. Любимов: «Он делал беглые заметки на бумаге. „Каждая заметка, ссылка, указание, даже удачный оборот стоят в его черновых бумагах под нумером, в том порядке как следовали на листе заметки. Стоят ещё случайно и без внутренней связи кроме некоторого единства обдумываемого предмета. Когда же таких заметок набиралось уже достаточно, он группировал их, сводя однородное вместе и обозначая каждую заметку только её нумером; нумера ещё несколько раз переменяли своё место прежде чем устанавливались окончательно. Заметки выписывались уже в определённом порядке, и материал со всеми ссылками и указаниями был готов“» (Журнал Министерства народного просвещения, август 1869) — Любимов Н. Жизнь и труды Ломоносова. Часть первая. Москва. Университетская типография (Катков и К°), на Страстном бульваре. 1872.
В четырёхлетних фундаментальных научных исследованиях по химии стекла, проводившихся М. В. Ломоносовым, и потребовавших упомянутых четырёх тысяч опытов, можно наблюдать три крупных этапа:
Расширение ассортимента исходных материалов.
В доломоносовский период применялось при варке стёкол не более полутора десятков компонентов шихты: Стеклообразующие материалы (состав шихты): песок, щелочи (зола растений), селитра, известь, свинцовый сурик, бура; Красители: «магнезия пьемонтская» (с включением марганца), медная окалина, железная окалина (крокус, железная руда), сера (сульфиды), уголь, «сафра» (кобальтовая руда), хлорное золото; Глушители: окись олова, костяная мука.
Первой и основной, на начальном этапе, была потребность расширения этого набора реактивов — в такой степени, в которой позволяло это сделать современное ему состояние химической промышленности и горного дела. Учёный всеми доступными путями, иногда преодолевая большие трудности, приобретал различные искусственные и минеральные вещества, подготавливая их к предстоящим экспериментам — обрабатывая, очищая от примесей. К началу работ он имел в своём распоряжении около 60 различных материалов.
Получение сравнительно чистых разных минеральных красителей — посредством химической обработки природных и искусственных соединений.
Изучение действия красителей на стекло
К этому этапу — основному во всех исследованиях, возможным становилось перейти только по окончании двух предшествующих. С необычайной для того времени широтой плана приступает к нему учёный. Его исследования явления окрашивания стекла подразумевают влияние на него таких факторов:
Происхождение и природа красителя; Способ его приготовления; Состояние, в котором он вводится; Концентрации самого красителя и каждого его компонента, входящего в состав стекла.
В данном случае с особой ясностью сказались упомянутые качества учёного как систематизатора — работы проводились на чрезвычайно высоком методическом уровне: для каждого из вышеозначенных факторов производилась большая самостоятельная серия опытов, когда количественное участие его систематически изменялось в очень широких пределах.
Правильно были организованы опытные плавки, точно подобраны размеры тиглей — они достаточны велики, чтобы полученный расплав давал возможность делать достоверные выводы, но уместно малы, для использования ёмкости лабораторной печи, с проведением больших серий варок при точной аналогии температурного и газового режимов — современные тигли для подобных работ примерно таких же размеров. Строго соблюдалось единообразие условий опытов — при изучении качественного влияния какого-либо одного фактора, соблюдались все меры, чтобы действие остальных технологических параметров эксперимента оставались постоянными. Соблюдение строгой количественной дозировки компонентов — новость для того времени. Навешивание с достаточной точностью, до 1 грана (0,0625 г). Образцы хранились в системе — в специальных пронумерованных ящиках. Учитывая наличие тысяч таких эталонов, можно понять, что это соблюдение настоящего условия требовало корректности и аккуратности. Лабораторный журнал вёлся с педантической точностью, в большинстве случаев собственноручно самим М. В. Ломоносовым, который заносил в него все наблюдения, факты и выводы. Впервые очень чётко был сформулирован вопрос о влиянии состава стекла на его свойства. Сейчас целесообразность такой постановки исследования очевидна, но в то время это было новаторством, и теоретическая часть интересовала учёного не меньше, чем поиск красителей для производственного стеклоделия, он пишет: «…прилагаю я возможное старание, чтобы делать стёкла разных цветов, которые бы помянутым художествам годны были и в том имею нарочитые прогрессы. При всех сих практических опытах записываю и те обстоятельства, которые надлежат до химических теорий».