Так ли хорош кремний на хронометрической службе

С самого начала нужно правильно расставить блюдечки по полочкам: где кремний, а где силикон. Вопрос актуален, поскольку нередко возникает досадная путаница (помнится, в одном из пресс-релизов некоей часовой марки на русском языке упоминался новообнаруженный в тот момент металл титаниум).

Итак, тот материал, что используется в современном часовом деле в качестве замены стали, латуни и специальных прецизионных ферроникелевых сплавов, — это кремний, 14-й элемент таблицы Менделеева; “silizium” на немецком языке, “silicium” — на французском и “silicon” на английском и латыни.

Именно из-за последнего термина эпизодически возникали и возникают классические трудности перевода (как всегда, от лени проверить его значение по доступным всем онлайн-словарям и “Википедии”). Silicon — это кремний, а незначительно отличающееся от этого по написанию слово “silicone” на английском, французском, итальянском, немецком (на немецком также “silikone”) означает силикон, кремнийсодержащее или кремнийорганическое соединение.

Запоминаем и стараемся различать, что идет в тонкую прекрасную часовую механику, а что в имплантаты женских грудей. И почему Кремниевую долину не стоит называть Силиконовой.

Теперь к кремнию. История прихода кремниевой технологии в часовое дело наверняка когда-нибудь окажется предметом вдумчивого кропотливого исследования, а возможно, и авантюрного хронометрического романа. Все началось примерно в 1999 году в компании Ulysse Nardin с трудностей, возникших в процессе разработки часов Freak за авторством Людвига Охслина.

Трудности состояли в том, что металлические импульсные колеса придуманной Охслином новой разновидности натурального хода (échappement naturel) Авраама-Луи Бреге не работали, как то было задумано. Все шло к тому, что от запрограммированного в проекте недельного запаса хода пришлось бы отказаться. В карманных часах Бреге, оснащенных мощной заводной пружиной, импульсные колеса работали даже без смазки, в Freak натяжения не хватало.

Рольф Шнидер, в те времена руководитель и владелец бренда, поручил довести проект до завершения Пьеру Гигаксу, тогдашнему техническому директору фирмы. Тот по наводке из Локльского техникума обратился в Швейцарский центр по электронике и микротехнике (CSEM), где ему предложили в качестве одной из возможных замен металла кремний и уже разработанную там же технологию реактивного ионного травления кремния, которая подошла бы для изготовления подобных импульсных колес.

Охслина в CSEM заодно попросили проконсультировать, на что еще в часовом деле может сгодиться кремний. И тот, недолго размышляя, написал статью, опубликованную в 2001 году, где обосновал плюсы применения кремния в качестве материала для производства спиралей и заодно изложил свои соображения касательно конструктивных особенностей подразумеваемых кремниевых спиралей, которые могли бы способствовать разрешению давних хронометрических проблем. Например, специальным образом сформированная плоская спираль могла бы обладать свойствами спирали брегетированной.

Что тут скажешь, старик Бреге воистину вездесущ, он проник во все поры часового дела; основанная же им компания породила редкий хронологический анекдот, с невероятными ухищрениями разработав кремниевый вариант двухуровневой кремниевой спирали, для чего ей пришлось придумать, как соединить два витка миниатюрной металлической перемычкой. Словно бы там никогда в глаза не видели основополагающей статьи Охслина, где требуемое свойство получалось в единой монолитной спирали и в одной плоскости.

Представленный в 2001 году Freak произвел фурор не в последнюю очередь благодаря авангардным кремниевым колесам. Проблемы, естественно, возникали, но создавалось такое впечатление, что решались они моментально.

Первым выпустило коготки статическое электричество, накапливавшееся в процессе работы на кремниевых колесах Freak и блокировавшее в конце концов действие спускового устройства. Электростатику побороли либо легированием кремния, либо напылением на кремний тонкого слоя металла. Как это было сделано на самом деле, не сообщается, но нельзя быть в претензии, ибо технологические секреты в кремниевой области — это ключ к твоему успеху и к трудностям у твоих конкурентов.

Затем была решена проблема температурного расширения кремния — излишне высокого для его хронометрического применения в производстве спиралей коэффициента. “Плохой” кремний контролируемо поджаривали в кислородосодержащей атмосфере, он покрывался “хорошим” оксидом кремния, в результате чего коэффициент температурного расширения снижался, хронометрическое качество спиралей было доведено до гарантированно превосходного уровня. И неудивительно, так как оксид кремния — это кварц с весьма малым коэффициентом температурного расширения. Кстати, если бы часовщики научились делать спирали из кварца, кремний и не понадобился бы. Тем не менее окисный слой сработал как надо и работает до сих пор.

С окисными слоями на кремнии работали в CSEM, исследования финансировались консорциумом в составе Swatch Group, Rolex и Patek Philippe. Как оказалось, собственную исследовательскую программу ведет также группа Richemont, одна из разработок была недавно представлена фирмой Baume & Mercier — это часы Clifton Manual 1830 с кремниевой спиралью TwinSpir.

Название правильное, так как спираль действительно двойная: она составлена из двух слоев кремния, различающихся кристаллографической ориентацией. Это, по замыслу, должно компенсировать анизотропию (зависимость физических свойств вещества от направления. — Прим. ред.) эластических свойств кремния. Снаружи спираль стабилизирована все тем же окисным слоем.

Компания Ulysse Nardin пошла своим путем. В рамках предприятия Sigatec, организованного ею с целью развития кремниевой технологии, она разработала альтернативный способ изготовления спиралей из специальным образом кристаллографически ориентированного монокристаллического кремния (названного silicium 1.1.1). Этот рецепт тоже сработал.

Была еще проблема создания двухуровневых кремниевых структур, требующихся в производстве, например, анкеров, в которых рожки и копье должны действовать в разных плоскостях, и эту проблему тоже решили.

Оригинальные импульсные колеса Freak показали, что кремний хорош в производстве быстродвижущихся деталей часового механизма, где требуются низкое трение и сниженная по сравнению с традиционными материалами плотность, то есть инерция. Первое и тривиальное решение — кремниевое анкерное колесо (фактически кремниевый здесь лишь зубчатый венец; ось с трибом, как правило, стальные) и кремниевый анкер (ось тоже стальная). Ситуацию с трением, традиционно одной из наиболее существенных проблем часового механизма, в кремниевом анкерном ходе иначе как блистательной не назовешь. Тестирование механизмов показало, что ход превосходно действует даже при отсутствии смазки функциональных поверхностей палет анкера и зубцов анкерного колеса (разумеется, никто не отменял необходимости смазывания кончиков осей в рубиновых камнях).

Как будто этого мало, в Sigatec пошли еще дальше: была разработана технология покрытия кремниевых деталей пленкой алмазоподобного углерода (DLC), что, по-видимому, позволило сделать трение и того меньше. Впрочем, цифр не видел, утверждать наверняка не буду.

Кремний оказался очень полезен в разработке новых конструкций. Компания Girard-Perregaux представила в 2013 году часы Constant Escapement с фирменным ходом с постоянным импульсом, который выполнен на основе большой по меркам часового механизма кремниевой рамки с интегрированной S-образной плоской кремниевой пружинкой (разработка была предпринята в 2008 году, после того как Rolex наотрез отказался реализовывать эту идею).

Пример Girard-Perregaux показал, что концентрировать все внимание на кремниевых спиралях, анкере и анкерных колесах недальновидно.

Почин в 2014 году поддержала компания Ulysse Nardin, первопроходец в кремниевой области, задумав и воплотив в кремнии “анкерный ход Улисса” (Ulysse Anchor Escapement), где необычайно эффектно была осуществлена идея повисшего в воздухе (то есть не установленного на оси) анкера.

В принципе, именно в этом перед часовщиками раскрываются очень интересные перспективы — избавить детали узла баланса, которые характеризуются наибольшими скоростями вращения, а следовательно, и наибольшей чувствительностью к уровню возникающего в опорах трения, от этого самого трения. В “анкерном ходе Улисса” нет трения в оси анкера ввиду отсутствия последней, и некоторые новые разработки идут по пути, начертанным Ulysse Nardin.

Так делает, например, фабрика механизмов Vaucher Manufacture Fleurier и входящая в группу часовая марка Parmigiani Fleurier. Они объявили год назад о предпринятой совместно с бывшим инженером CSEM Пьером Женеканом разработке проекта Senfine, где кремниевыми методами был создан миниатюрный вариант изобретенного великим английским часовщиком Джоном Гаррисоном хода “кузнечик” (grasshopper escapement).

“Кузнечик” проекта Senfine родственен “анкерному ходу Улисса” по отсутствию потерь энергии на трение в (отсутствующей) оси спускового устройства и вообще очень скромен в потреблении энергии. Это позволило увеличить запас хода механизма наручных часов до месяца, а то и до трех. Поиски в этом направлении продолжаются, скоро (14 сентября) мы узнаем кое-что еще новое.

Как то ни странно, первыми на новомодную кремниевую технологию (обещавшую при ее массированном внедрении значительное снижение затрат на производство деталей анкерного хода и спиралей) начали переходить отнюдь не бренды массового выпуска и, соответственно, низкого и среднего ценового позиционирования, а представители люксового сегмента: Ulysse Nardin, Patek Philippe, Breguet, Blancpain, некоторые другие.

Тем более выглядело непонятным, что провозглашаемые этими фирмами традиционные ценности швейцарского часового дела, включавшие непременное участие часовщика в отделке, доводке и наладке каждой детали часового механизма, категорически противоречили правилам кремниевой технологии, где руки человека принципиально не прикасаются к кремниевым чипам. В целом кремниевая технология, используемая в современном часовом деле, представляет собой довольно убогое в технологическом и научном смыслах ответвление современной микроэлектроники. Действительно, часовщики с радостью приемлют микронный допуск, ведь в лучшей часовой механике меньше и не нужно, тогда как микроэлектронные компании уже освоили 14- и 16-нанометровые процессы, не за горами 10 нанометров и уже ведутся исследования семи- и пятинанометровых процессов. Микронный масштаб преодолен микроэлектроникой в середине 1970-х, а какое сейчас тысячелетие на дворе?

Что же мы видим в промежуточном итоге? Кремниевые спирали лишь в этом году появились в часах фирм Tissot и Longines — там, где кремниевая технология должна была обкатываться сразу же! Кремний логично видеть в механических часах Tissot, Swatch, Longines, Seiko, TAG Heuer (на то они и представители авангарда). Ну, может быть, еще в часах Omega и Rolex. А Ulysse Nardin, Patek Philippe, Breguet и Blancpain должны брезгливо морщить нос, утверждая, что использование кремниевых деталей против принципов, что они никогда не поставят в часовой механизм деталь, которая не была тщательно, заботливо и с любовью обработана и декорирована часовщиком. И уж, как минимум, должны предлагать механизмы с кремниевыми деталями процентов на 10–20 дешевле, чем их стопроцентно традиционалистские механические собратья.

Правда, все может измениться в скором времени. Есть сведения, что некоторые бренды (просившие не раскрывать их) ведут поиски адаптации кремниевой технологии к традиционным ценностям, так что, полагаю, вскоре появятся декорированные вручную кремниевые анкерные колеса с фактурными шлифовками, снятием и полировкой фасок и т. д. Кстати, Sigatec уже предлагает кремниевые детали с декоративной гравировкой, полированными фасками, но все это еще пока неправильное, химическое, сделанное роботом.

Преимущества, показываемые кремниевой технологией на современном этапе, убедительны, но далеко не всеобъемлющи. Могла бы иметь смысл кремниевая технология, продуманно и с уважением традиций интегрированная в механические часы таким образом, чтобы точность их хода была бы сопоставима с точностью обычных кварцевых часов. А межсервисный интервал значительно превысил бы любой разумный срок пользования — например, хотя бы 15–20 лет. Пойдут ли на это большие игроки на часовом рынке, непонятно.