Чтобы проникнуть в физическую сущность процесса, происходящего в остывающем и отвердевающем металле, Дмитрий Константинович много лет подряд изучал кристаллизацию различных веществ. В архиве его нашлись фотографические снимки с самых причудливых и фантастических оконных узоров льда. На одном из снимков дата — 1915 год. В возрасте семидесяти шести лет Чернов все еще пополнял свою коллекцию кристаллов фотографиями ледяных узоров на стекле.
Он выращивал большие кристаллы поваренной соли и квасцов. Рассматривая замерзание воды как процесс кристаллизации, он заставлял воду замерзать при самых разнообразных условиях. Ему случалось в яркий зимний день, каких немного в Петербурге, встречать на Неве возчиков, грузивших на розвальни квадратные ледяные глыбы. Тогда он спускался к проруби и часами простаивал около льда, стараясь проникнуть в тайны строения какой-нибудь глыбы, на зеленоватой поверхности которой быстро, почти на ходу, замерзала струя воды.
Схему затвердевания стали подсказала Чернову хорошо изученная им кристаллизация раствора квасцов при замерзании. Первое положение, которое высказал Чернов в результате своих наблюдений, сводится к тому, что сталь затвердевает не аморфно, не воскообразно, а кристаллически.
О том, какое значение может иметь понимание процесса кристаллизации стали в практических делах, Чернов указал уже в первом своем докладе.
— Если расплавленную в тигле сталь, — говорил он, — вы будете при охлаждении постоянно приводить в сильное сотрясение, достаточное для того, чтобы все частицы ее приходили в движение, тогда охлажденный слиток будет иметь чрезвычайно мелкие кристаллы; если же эту сталь оставить без всякого сотрясения и дать массе спокойно и медленно охлаждаться, тогда у вас эта же самая сталь получится в крупных, хорошо развитых кристаллах. Вид таких кристаллов и способность вообще кристаллизоваться при этих условиях зависят от чистоты стали.
Основываясь на наблюдении, что сталь, застывая, образует сложную систему кристаллов, Чернов первым в мире начал изучать стальные слитки как результат кристаллизации расплавленного, жидкого металла.
В своем докладе «Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок», сделанном 2 декабря 1878 года членам Русского технического общества, Чернов совершенно уверенно и определенно указал, что кристаллы стали — результат совместной кристаллизации железа и углерода. При таком процессе образуются кристаллы переменного состава. Они представляют, как теперь говорят, «твердые растворы углерода в железе». Он только не употребил выражения «твердые растворы». Оно появилось в науке позднее.
Современное представление о природе и структуре стальных слитков было в главных чертах совершенно правильно установлено исследованиями Чернова.
— Я помню время, — говорил один из учеников Дмитрия Константиновича, — когда взгляды Чернова на аморфную сталь вызывали у многих, особенно представителей «современных» научных течений, не только недоверие, но прямо недоумение. Но Дмитрий Константинович дожил до того дня, когда не только сущность его взглядов стала разделяться многими учеными за границей, но когда и самое название «аморфный металл» стало становиться все более и более модным. Правда, на это потребовалось около пятидесяти лет.
Доклады, сообщения, лекции Чернова о кристаллизации дышали необычайной убедительностью. Ученый, глубоко заглянувший в тайны природы, давал чисто художественную картину кристаллизации. Многие ученики и последователи его прямо влюблялись в кристаллизацию, старались найти и везде находили ее примеры.
Один из учеников Чернова, подполковник Берсенев, посланный в Англию приемщиком на один большой завод, нашел на шихтовом дворе великолепный стальной кристалл из усадочной пустоты стотонного слитка. Иногда случается, что в усадочной пустоте начинает расти отдельный кристалл. Такой кристалл, не встречая препятствий для своего роста со стороны других кристаллов, достигает больших размеров, причем форма его не искажается. На заводе кристаллом никто не интересовался, и его охотно подарили Берсеневу, а он отвез его своему учителю.
Изученный Дмитрием Константиновичем этот знаменитый «Кристалл Чернова» попал на страницы всех учебников по сталелитейному делу. Мерцающий мрачным светом, с причудливыми изломами, он весит три с половиной килограмма.
Указав на сложность процесса кристаллизации, Чернов разобрался в недостатках стальных отливок, систематизировал их, выяснил причины их возникновения, а затем указал и способы их устранения.
Сопоставляя процессы охлаждения и затвердевания металлических сплавов с процессами затвердевания растворов поваренной соли и квасцов и обобщая наблюдения, Чернов предположил, что из жидкой смеси двух или нескольких веществ, входящих в сплав, выделяются сперва кристаллы одного из них:
«Одно вещество, более мягкое, менее углеродистое, бросает оси, а другое, более углеродистое, оставаясь в то время еще жидким, тотчас же вслед за тем облепляет ростки».
Поняв до конца внутреннее строение стали и условия, его определяющие, Чернов без труда мог ответить на ряд вопросов: почему по мере приближения к центру болванки металл становится более рыхлым, почему появляются в литье пузыри, раковины, пустоты, или: что же делается с раскаленной сталью, когда ее быстро охлаждают погружением в воду.
Очевидно, что в таком случае в стали как бы фиксируется ее жидкое строение: углерод остается в виде карбида — соединения с железом, растворенного в чистом железе.
И тут мы, в который уже раз, наблюдаем ценнейшую черту творческого характера Чернова — немедленный переход от чисто теоретических выводов к практическим.
Так, для лучшего уплотнения стали наряду с применявшимся способом прессования жидкой стали Чернов разрабатывает метод разливки во вращающиеся изложницы. Понимание физической сущности процесса отвердевания, или кристаллизации, металла совершенно логично порождает такую идею.
«В самом деле, — говорит Чернов, — если при отливке стали в изложницу эту последнюю приводить в быстрое вращательное движение, то растущие нормально к поверхности изложницы разрывные кристаллы не в состоянии будут так сильно развиваться, как это имеет место при спокойном росте, и сталь будет нарастать гладкими, аморфного сложения слоями».
Для Дмитрия Константиновича мир кристаллов не был мертвой природой. Он любил кристаллы, кристаллические вещества.
— Меня поразило их изобилие среди обстановки его кабинета на Песочной улице, — рассказывал В. А. Яковлев.
Чернов любил не только собирать кристаллы, но и охотно знакомил с ними любознательных. Он мог поехать читать лекцию, захватив свои коллекции, в институт, в общество, в другой город.
Как-то попросили Дмитрия Константиновича прочитать лекцию в Соляном Городке с благотворительной целью в пользу нуждающихся студентов. Он выбрал тему: «Кристаллизация воды и железа».
В чрезвычайно живой и картинной форме он показал то общее, что объединяет и направляет процессы зарождения и роста кристаллов в различных веществах. Лекция сопровождалась многочисленными диапозитивами Дмитрия Константиновича. По отзывам тогдашних газет, «Чернов наглядно на экране показал, что в процессе строения кристаллов, хотя и мертвых тел, наблюдается такая же кипучая жизнь с ее борьбой за существование, какая присуща растительному и животному миру».
Вопрос о взаимоотношении между мертвою и живой природой не переставал занимать Чернова всегда. По-видимому, именно в кристаллах и их агрегатах он склонен был видеть связующее звено между этими группами тел природы. В последнем своем труде «Афоризмы из области металлургии стали», оставшемся ненапечатанным, Чернов свои представления о кристаллизации и структуре стали как о физико-химических явлениях свяжет с общим своим научным миропониманием. Он будет доказывать, что одни и те же законы управляют молекулами воздушной атмосферы и коллоидных растворов.
«Пусть эти попытки многим покажутся слишком смелыми или преждевременными, — говорит Г. З. Нессельштраус, — постановка вопроса в такой плоскости свидетельствует о необычайной пытливости ума и духа, о гениальной прозорливости и о глубоко романтической натуре Д. К. Чернова. Со свойственною крупному таланту силою дерзнул он проникновенным взором охватить единым взглядом мир бесконечно малого и мир бесконечно большого, мир микроскопический и мир космический, и в обоих крайних проявлениях организованной материи провидел одни и те же кирпичи мироздания, лишь различным образом сгруппированные».