Прежде всего он взялся за переоборудование лаборатории. Лаборатория Фадеева, находившаяся в подвальном этаже кафедры земледелия, была очень тесной и плохо оснащенной. Вильямс вспомнил свои школьные годы, лабораторию в училище Мазинга и снова принялся за давно знакомые дела. Работал он с увлечением. Он устроил большой перегонный куб для получения дистиллированной воды — до этого нехватка ее не позволяла отмучивать большого числа почвенных образцов.
Чтобы облегчить и ускорить проведение анализов, Вильямс начал конструировать и изготовлять разные приспособления, — это было его любимым занятием. Его пытливый ум никогда не мирился с шаблонными, давно известными приемами работы, он неизменно стремился к усовершенствованиям. Посетителей его лаборатории всегда поражало обилие оригинальных инструментов и приборов, изготовлявшихся Вильямсом. Тут были специальные держалки для колб, и резиновые зажимы, и старательно выточенные из дерева мешалки особой формы для отмучивания.
Механический анализ почв отнимал у Вильямса очень много времени. Самым кропотливым делом было выделение ила, мельчайших частиц почвы. Для того чтобы его выделить, нужно было в течение двенадцати часов непрерывно кипятить в фарфоровых чашах взмученную в воде почву. Затем, слив с помощью особого сифона воду с осадка, надо было наполнить чашу новой порцией воды и опять кипятить в течение двенадцати часов. Эта операция повторялась четыре раза.
Зиму и весну 1889 года Вильямс потратил на усовершенствование того метода механического анализа, который был разработан Фадеевым. Вильямс не мог отдавать этой работе слишком много времени, так как он нес ассистентские обязанности и помогал студентам в их лабораторных занятиях.
Только теперь он смог расстаться, наконец, со своим углом в избе на Петровских выселках. Вильямс снял себе комнату в Москве, в районе Подвесков. Отсюда было теперь легко добираться до Академии. В 1886 году здесь проложили узкоколейную ветку, и по ней начал курсировать несколько раз в день допотопный паровозик с неуклюжими вагончиками — знаменитый петровский паровичок. Этот паровичок позволил студентам, жившим в городе, быстрее добираться до Академии и положил конец прежней оторванности Академии от города.
Вильямс тоже воспользовался появлением паровичка и выбрал себе такой район, откуда и до Академии было не так далеко и до семьи было нетрудно добраться.
Его все возраставшая любовь к музыке смогла найти в эту зиму полное удовлетворение, — вместе со своей сестрой Соней он не пропускал ни одного симфонического концерта.
Переезд на новую квартиру имел и еще одно важное последствие для Вильямса: здесь он познакомился с молодой девушкой, Марией Александровной Луговской, ставшей спустя два года его женой.
Весной 1889 года Совет Академии решил направить Вильямса и второго вновь утвержденного стипендиата высшего оклада П. Р. Слезкина в экскурсию по России для ознакомления с природными и хозяйственными особенностями ряда районов. Это была первая большая поездка Вильямса по родной стране.
Прежде всего он задумал расширить свое знакомство с северной нечерноземной полосой, с местностями, лежащими у истоков великих русских рек — Волги и Днепра.
Из Москвы Вильямс добирается по железной дороге до верховий Волги и приступает к подробному осмотру прилегающей местности. Он впервые знакомится с большими болотами и озерами, лежащими у истоков великой реки, бродит по дремучим лесам, стоявшим еще на многих тысячах десятин нетронутыми. Очень поразило Вильямса своим варварским характером существовавшее здесь в то время лядинное хозяйство, то-есть выжигание леса на корню и разработка получившейся гари под пашню. Когда земля истощалась, — а это обычно происходило довольно скоро, — ее снова забрасывали, и она постепенно зарастала лесом.
Земледелие в этих местах носило очень примитивный характер. Бедные деревушки разделялись огромными, часто непроходимыми болотами, об освоении которых никто еще и не думал. Особенно заинтересовало здесь Вильямса льноводство. В разведении и обработке льна, а также в его технической переработке и выделке льняных тканей местные крестьяне еще издавна достигли редкого мастерства.
От верховий Волги, через заболоченные невысокие водоразделы, Вильямс перебрался в Днепровский бассейн; Днепр был им осмотрен в этот раз от верховий до Киева, а по пути в Дорогобужском уезде Смоленской губернии Вильямс имел возможность побывать у Энгельгардта в Батищеве.
Видный химик и редактор первого русского «Химического журнала», Александр Николаевич Энгельгардт (1832–1893), учитель П. А. Костычева и друг В. В. Докучаева, был крупнейшим авторитетом в области многих вопросов агрономии, особенно удобрения дерново-подзолистых почв. В 1870 году Энгельгардт как «неблагонадежный» был выслан в свое небольшое имение Батищево Смоленской губернии, где он, придерживаясь народнических взглядов, пробовал создать хозяйство, одинаково выгодное и предпринимателю и крестьянам.