Ломоносову было душно и тесно в холодных стенах Академии наук. Ему хотелось уйти из-под опеки постылой академической канцелярии, найти для себя самостоятельную деятельность, в которой могла бы проявить себя его кипучая натура. Еще до того как Ломоносову удалось обзавестись химической лабораторией, он обратил внимание на мозаику — древнее искусство составлять из цветных стеклянных сплавов (смальт) немеркнущие картины и портреты. Несколько мозаичных работ привез в 1746 году из Рима граф Михаил Илларионович Воронцов, в доме которого часто бывал Ломоносов. Среди них была и мозаичная картина «Плачущий апостол Петр» работы неизвестного ватиканского мастера с оригинала Гвидо Рени, отличавшаяся богатством и разнообразием красочных оттенков при передаче розового хитона и голубого плаща апостола. Ломоносова живо заинтересовала искусная работа итальянских мастеров, доведших свою смальтовую «палитру» до нескольких тысяч оттенков, что позволяло им виртуозно копировать масляную живопись. Ломоносов хорошо знал, что мозаика была известна еще Киевской Руси, и он воодушевляется мыслью не только возродить это древнее искусство в нашей стране, но и снабдить его новым, совершенным материалом.

Приготовление смальт хранилось в строгой тайне итальянскими мозаичистами. Ломоносова-химика привлекала к себе задачка раскрыть этот секрет и самостоятельно разработать рецептуру для получения смальт.

В протоколах академической Конференции все чаще отмечается отсутствие Ломоносова, «очень занятого в лаборатории».

Живой, художественный и практический интерес к мозаике, овладевший Ломоносовым, сочетался с давно волновавшими его вопросами теоретической физики и химии.

Ломоносов разрабатывал теорию цветов, исходя из своего понимания физической природы света. Он полагал, что белый свет состоит из трех основных цветов — красного, желтого и голубого. Он стал на эту точку зрения, ибо не мог и не хотел создавать громоздкой теории эфира для семи цветов, и потому, что хорошо видел, что на практике можно получать всё бесконечное разнообразие цветов, исходя из трех основных.

«Живописцы, — писал Ломоносов, — употребляют цветы главные, прочие чрез смешение составляют; то в натуре ли положить можем большее число родов ефирной материи для цветов, нежели она требует и всегда к своим действиям самых простых и коротких путей ищет?»

Ломоносовская теория трех цветов хорошо увязывалась с тогдашними химическими представлениями о соляной, серной и ртутной «материях», с которыми сопрягает Ломоносов частицы эфира. Он полагает, что от «совмещения» с соляной материей происходит красный цвет, с серной — желтый, а с ртутной — голубой.

Зыблющееся (волновое) движение эфира приводит в движение «частицы первоначальных материй, тела составляющих». Это и является, по мнению Ломоносова, физической основой дальнейшего цветового эффекта. Таким образом, Ломоносов искал зависимость между составом вещества и цветовым эффектом от него.

Крупнейший знаток оптических явлений академик С. И. Вавилов писал о теории цветов Ломоносова: «Нельзя не оценить ее остроумия, глубокой оригинальности, а главное — интуитивного угадывания факта связи, резонанса между светом и веществом».

Ломоносов прокладывал новые материалистические пути познания явлений физиологической оптики. Он ищет возможности связать физиологическое ощущение цвета с химизмом нервной ткани глаза, утверждая в своем «Слове о происхождении Света», что порожденные взаимодействием эфира и вещества цвета, в свою очередь действуя «в оптических нервах» на содержащиеся в них «материи», произведут соответственно «чувствие» (ощущение) того или иного основного или смешанного цвета. Это предположение Ломоносова о необходимости наличия в нервах глаза трех различных светочувствительных веществ, по существу, было лишь повторено в начале XIX века Юнгом.

Разрабатываемая Ломоносовым теория «трех цветов» имела, несомненно, значение для развития цветоведения. Установив трехмерность многообразия цветов, Ломоносов указывал пути для решения практических задач цветотехники, нашедшей в наше время такое широкое применение в цветной фотографии, печати, кино. Он трудится над созданием приборов для получения любых цветов через сложение или вычитание трех основных. Принципы этих приборов осуществлены в современных колориметрах.

Ломоносов всегда стремился связать свои теоретические изыскания с живой и непосредственной практикой. Работа по изобретению цветных прозрачных и непрозрачных стекол была для него одним из средств обоснования теории цветов. Здесь сама химия приходила ему на помощь, так как точно установленные химические вещества, взятые в точно измеренных весовых пропорциях, определяли характер и интенсивность цвета, окрашивающего стеклянную массу. Проблема света и цвета получала здесь как бы идеальное разрешение.

Ломоносов с энтузиазмом принялся за опыты.

В течение трех лет, «оградясь философскою терпеливостью», шаг за шагом шел Ломоносов к своей цели. Пробы стеклянных масс следуют одна за другой. Ломоносов ведет подробный журнал, в котором тщательно записывает по-латыни название и точный вес взятых материалов, способ плавки и полученные результаты. Его план экспериментальных работ строго продуман; он ставит опыты последовательными сериями, постепенно усложняет состав смальты, доведя число компонентов до шести, вводит их в различных весовых соотношениях и в различных сочетаниях.

Ломоносов устанавливает влияние температуры плавки на физические свойства готового стекла, изучает прозрачность получаемых стекол, их цвет в проходящем и отраженном свете. Все новые наблюдения, идеи и экспериментальные навыки, возникшие у Ломоносова в связи с его занятиями физической химией, находят здесь блестящее применение.

В середине 1750 года в Петербург прибыл из Италии живописец Преннер, доставивший графу Воронцову мозаичный портрет Елизаветы Петровны работы известного мастера Аллессандро Кокки по оригиналу Людовика Каравака, находящийся в настоящее время в павильонном зале Эрмитажа. Портрет произвел сильное впечатление на Ломоносова умелым подбором красочных оттенков при передаче богатого наряда императрицы — серебряной парчи платья, синего муара ленты, алмазов и сапфиров ее драгоценного убора. Ломоносов посвятил этому портрету стихи, начинавшиеся словами:

   Фортуну вижу я в тебе или Венеру
   И древнего дивлюсь художества примеру...

Но сам он уже приближался в то время к полной разгадке всех тайн этого древнего художества.

Ломоносов увлечен своей работой и не щадит себя. В августе 1750 года он отправляет И. И. Шувалову на дачу стихотворное послание, в котором воспевает «прекрасны летни дни», которые, «сияя на исходе, богатство с красотою обильно сыплют в мир», «созрелые плоды древа отягощают и кажут солнечный румянец свой лучам». А о себе он пишет:

   Меж стен и при огне лишь только обращаюсь;
   Отрада вся, когда о лете я пишу;
   О лете я пишу, а им не наслаждаюсь,
   И радости в одном мечтании ищу...

Стихи эти верно характеризуют обстановку, в которой работал Ломоносов. В маленькой и тесной лаборатории ему негде было повернуться. От растираемых в мелкий порошок масс для приготовления стекольных смесей в воздухе висела серой пеленой минеральная пыль. Закопченные низкие своды лаборатории озарялись отблесками огней нескольких печей. Печи были разных типов, но все они нещадно чадили и дымили. Ломоносов проводил здесь целые дни, совершенно не щадя своего здоровья.
Он беспокоится лишь о том, чтобы не пострадали полученные им мозаичные составы, которые, по его словам, в лаборатории «для дыму и всегдашней пыли делать и держать нельзя».

В довершение всего ему на каждом шагу мешает канцелярия. «За безделицею принужден я много раз в Канцелярию бегать и подьячим кланяться, чево я, право, весьма стыжусь, а особливо имея таких, как Вы, патронов», — жалуется он И. И. Шувалову в письме 15 августа 1751 года.

Но Ломоносова нельзя было остановить никакими трудностями, и, проделав в общей сложности около четырех тысяч опытов, он, наконец, добивается своего. Он открывает способ получать смальты любого цвета, глубоких и сочных тонов, разнообразнейших оттенков: «превосходное зеленое травяного цвета, весьма похожее на настоящий изумруд», «зеленое, приближающееся по цвету к аквамарину», «цвета печени», «карнеоловое», «очень похожее на превосходную бирюзу, но полупрозрачное», «превосходного мясного цвета», «цвета черной Печени» и т. д.

Вводя в опытные плавки различные вещества для окраски стекол, Ломоносов вовсе не ограничивался теми из них, которые применялись раньше в стеклоделии, но постоянно испытывал новые. Уже в первой серии опытов, записанной в «Лабораторном журнале» Ломоносова, впервые в качестве красителя была применена ртуть, «растворенная в крепкой водке», осаждаемая «животной щелочью», или, иными словами, азотнокислая ртуть, осаждаемая аммиаком. В результате было получено стекло «бледно-пурпурового цвета». Немало потрудился Ломоносов и для того, чтобы добиться пучения «золотого рубинового стекла», приготовлением которого славился известный немецкий химик-практик XVII века Иоганн Кункель. Считалось, что Кункель унес секрет его изготовления в могилу, так как оставленные им сведения были сбивчивы и не содержали главнейших технологических условий получения этого ценного стекла необычайно интенсивной окраски. Проделав не менее семидесяти опытных плавок с применением золотых соединений, тщательно изучив все способы введения золота в стекло в сочетании с различными компонентами (суриком, магнезией, оловянной известью, роговым ребром и т. д.), учитывая значение температуры плавки и роль последующего отжига, Ломоносов самостоятельно разработал всю методику получения «золотого рубина», оказывавшуюся не под силу его многим западноевропейским современникам.

Полученные опытные образцы Ломоносов сортирует и систематизирует в строгом порядке, потребовав в октябре 1750 года от академической канцелярии, чтобы ему был изготовлен особый ящик «для раскладывания сделанных в химической лаборатории стекол». Пробы эти хранились потом в особом покое при лаборатории, «каждая особливо под номером против химического журнала, в котором по месяцам и там оных составы и процессы описаны». Эта своеобразная «стеклотека» весьма пригодилась Ломоносову, когда он приступил к практическому использованию результатов своих изысканий.

Достигнув замечательных практических результатов, Ломоносов писал в феврале 1754 года Леонарду Эйлеру: «В течение трех лет я был весь погружен в физико-химические испытания, касающиеся учения о цветах. И труд мой оказался не бесплодным, так как кроме результатов, полученных мною при различных растворениях и осаждениях минералов, почти три тысячи опытов, сделанных для воспроизведения разных цветов в стеклах, дали не только огромный материал для истинной теории цветов, но и привели к тому, что я принялся за изготовление мозаик». Научные и практические результаты исследований Ломоносова произвели большое впечатление за границей. «То что Вы, славнейший муж, исследовали относительно наведения разных цветов на стекла, достойно Вас. Наши химики считают особенно важным это открытие», — писал ему из Берлина Леонард Эйлер 30 марта 1754 года.

Сверкающие, как самоцветы, смальты Ломоносова, были несравненно ярче и богаче по своим красочным возможностям итальянских. Но этого было недостаточно. Ломоносову предстояло еще разработать методы отливки и шлифовки смальты, из которой составлялись картины. Пришлось ему отыскать и лучший рецепт мастики, которой смальта скреплялась на медном подносе, и, наконец, стать самому художником, так как мастеров-мозаичистов у нас не было.

Вне связи с вековыми традициями мозаичного искусства, Ломоносов совершенно самостоятельно добился исключительных результатов. По немногим образцам он не только постиг мозаичную технику, но и осознал художественный смысл мозаики — ее суровую и выразительную простоту, ее красочные возможности, декоративное значение и эпическую монументальность. Летом 1752 года Ломоносов заканчивает первую художественную работу — мозаичный образ Богоматери по картине итальянского живописца Солимены. 4 сентября того же года он подносит его Елизавете Петровне. Образ был принят ею с «оказанием удовольствия». В особом рапорте, представленном по сему случаю академической канцелярии, Ломоносов сообщал, что для выполнения этой небольшой мозаичной картины (размер ее 2 фута на 19 дюймов) «всех составных кусков поставлено больше 4000, все ево руками, а для изобретения составов делано 2184 опыта в стеклянной печи». Ломоносов не только сам отлично справляется с этой работой, но и набирает себе учеников, которых обучает мозаичному делу. 24 сентября 1752 года академическая канцелярия разрешила Ломоносову самому выбрать двух лучших и наиболее способных учеников из Рисовальной палаты, состоявшей при Академии. К Ломоносову были определены необычайно даровитый юноша, сын матроса Матвей Васильев, которому едва исполнилось тогда шестнадцать лет, и сын мастерового придворной конторы Ефим Мельников, который был еще моложе. Ломоносов в это время приступил к работе над мозаичным портретом Петра Великого, причем тот час же привлек «к набиранию оного портрета» и своих учеников. В 1757 году из мозаичной мастерской Ломоносова вышли четыре портрета Петра Великого. Один из них Ломоносов поднес Сенату. Работая со своими учениками, Ломоносов не идет проторенными путями. Он развивает и совершенствует мозаичное искусство, ставит перед ним новые художественные задачи, улучшает и значительно ускоряет технику набора мозаичных картин. Он хочет ввести это монументальное искусство в государственный обиход, мечтает о широком применении мозаики в памятниках, которые должны прославить величие его Родины, ратные подвиги и исторические деяния русского народа. Ломоносов считает особенно важным, что «финифти, мозаики в век хранят Геройских бодрость лиц» и «ветхой древности грызение не боятся».