Przypadkowe odkrycie w XIX-wiecznej żarówce
Grafen, czyli warstwa węgla grubości pojedynczego atomu, to dziś jeden z najważniejszych materiałów w nanotechnologii. Jest niezwykle wytrzymały, doskonale przewodzi prąd i ciepło. Jego istnienie teoretycznie opisano w połowie ubiegłego stulecia, ale dopiero Konstantin Nowosiołow i Andre Geim otrzymali Nobla za jego praktyczne wyizolowanie. Hipoteza z Rice University jest o tyle zdumiewająca, że przesuwa możliwość wytworzenia grafenu o prawie 80 lat wstecz, w czasy, gdy nikt nie śnił o nanostrukturach.
Czytaj też: Gratek może zmienić motoryzację. Ten materiał jest lepszy niż zwykły grafen
Kluczem do zrozumienia tej koncepcji jest sposób powstawania jednej z form grafenu, tzw. grafenu turbostratycznego. Współcześnie otrzymuje się go, gwałtownie podgrzewając materiał węglowy do temperatury od 2000 do 3000 stopni Celsjusza przy użyciu prądu elektrycznego. Ta metoda nazywa się „flash Joule heating”. Co ciekawe, pierwsze żarówki Edisona wykorzystywały żarniki właśnie z węgla, często z włókna bambusowego, które osiągały podczas pracy krytyczną temperaturę około 2000 stopni. Warunki panujące w tych pionierskich lampach były zatem zaskakująco podobne do tych, jakie dziś celowo tworzymy w laboratoriach.
Odtworzyli historyczny eksperyment w nowoczesnym laboratorium
Pomysł na weryfikację tej hipotezy narodził się podczas badań nad tanimi metodami produkcji grafenu. Lucas Eddy, wówczas doktorant w grupie profesora Jamesa Toura, testował różne proste urządzenia zdolne do szybkiego nagrzewania węgla. Jak sam przyznał, szukał najprostszego możliwego układu. Zdobycie autentycznej, historycznej żarówki okazało się wyzwaniem. Większość dostępnych na rynku „żarników węglowych” to w rzeczywistości wolframowe podróbki. Ostatecznie Eddy znalazł małą pracownię rzemieślniczą w Nowym Jorku, która wytwarzała żarówki z żarnikami z japońskiego bambusa, niemal identyczne jak te z epoki Edisona.
Naukowiec podłączył taką żarówkę do źródła prądu stałego o napięciu 110 V, dokładnie tak, jak robił to wynalazca. Kluczowa różnica polegała na czasie. Włączył ją zaledwie na 20 sekund. Dłuższe grzanie mogłoby zniszczyć potencjalnie powstały grafen, zamieniając go w zwykły grafit. Analiza przy użyciu mikroskopu optycznego ujawniła interesującą zmianę: kolor żarnika zmienił się z ciemnoszarego na srebrzysty i lśniący. Kolejnym krokiem była spektroskopia Ramana, zaawansowana technika laserowa pozwalająca identyfikować materiały po ich „atomowym odcisku palca”. Wyniki były jednoznaczne: części żarnika rzeczywiście przekształciły się w grafen turbostratyczny.
Most między przeszłością a teraźniejszością nauki
Czy z całą pewnością możemy twierdzić, że Edison to zrobił? Niestety, nie. Nawet gdyby udało się odnaleźć oryginalną, działającą żarówkę z tamtego okresu, to podczas jej pierwszych, wielogodzinnych testów każdy ewentualnie wytworzony grafen zdążyłby się przekształcić w grafit. Dlatego praca zespołu z Rice University jest raczej dowodem na to, iż w ówczesnych warunkach było to możliwe, a nie że na pewno się wydarzyło. Mimo tej niepewności, James Tour dostrzega w tym projekcie głębszy sens. Według niego, odtworzenie historycznych warunków przy użyciu współczesnej wiedzy otwiera nowe perspektywy.
Odtworzenie tego, co zrobił Thomas Edison, przy użyciu narzędzi i wiedzy, które mamy teraz, jest bardzo ekscytujące. Odkrycie, że mógł wytworzyć grafen, inspiruje ciekawość dotyczącą tego, jakie inne informacje leżą pogrzebane w historycznych eksperymentach. Jakie pytania zadaliby nasi naukowi przodkowie, gdyby mogli dołączyć do nas w laboratorium dzisiaj? – tłumaczy
To właśnie jest najciekawszy wątek tej historii. Edison, skupiony na praktycznym celu, jakim było wydajne źródło światła, nie dysponował narzędziami pozwalającymi dostrzec nanostrukturalną rewolucję, która mogła dziać się na jego oczach.