Опыты с лампой накаливания Эдисона выявили непреднамеренное образование графена

Химики из Университета Райса, воспроизводя исторический эксперимент Томаса Эдисона по созданию лампы накаливания, обнаружили непредвиденный побочный продукт — графен. Это открытие, описанное в публикации журнала ACS Nano, позволяет предположить, что Томас Эдисон мог неосознанно синтезировать этот материал ещё в 1879 году, задолго до его официального открытия.

Графен — уникальный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, образующих гексагональную решётку. Эта структура наделяет его исключительными свойствами, открывающими перспективы применения в различных областях, включая энергетику (батареи, суперконденсаторы), электронику (транзисторы, сенсорные экраны) и фильтрацию воды. Физики, первыми осуществившие синтез графена в лабораторных условиях, были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году.

Мотивация к воспроизведению эксперимента Эдисона возникла у Лукаса Эдди, аспиранта профессора Джеймса Тура из Университета Райса, который искал простые и экономичные методы массового производства графена. Эдди установил, что ранняя версия лампы накаливания Эдисона могла достигать критической температуры в 2000 градусов по Цельсию. Эта температура является ключевой для быстрого джоулева нагрева, который считается эффективным методом получения так называемого турбостратического графена.

Исторически сложилось так, что Эдисон не был первым, кто работал над лампами накаливания, но его вклад заключался в поиске материалов для нитей, которые могли бы обеспечить длительный срок службы при практическом напряжении. Он экспериментировал с различными углеродсодержащими материалами, включая карбонизированный картон и сажу, а также растительные волокна. В конце концов Эдисон остановился на карбонизированном бамбуке, который при напряжении 110 вольт работал более 1200 часов.

Для воспроизведения процесса Эдди использовал оригинальный патент Эдисона 1879 года. Он подключал лампы с бамбуковыми нитями ручной работы к источнику питания напряжением 110 вольт. Нити нагревались в течение 20 секунд до температуры от 2000 до 3000 градусов по Цельсию. Продолжительность нагрева была критически важной: более длительное воздействие привело бы к образованию графита, а не графена.

После проведения эксперимента было замечено изменение внешнего вида углеродной нити — она приобрела «блестящий серебристый» оттенок. Дальнейший анализ с использованием методов рамановской спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) подтвердил наличие турбостратического графена на отдельных участках нити. На изображениях, полученных с помощью ПЭМ до и после нагрева, отчётливо видны слои графена внутри волокна, а также области неконвертированного аморфного углерода.

Исследователи признают, что это открытие не является прямым доказательством того, что Эдисон знал о существовании графена, поскольку в его время не было необходимых инструментов для обнаружения этого материала. Кроме того, любые частицы графена в оригинальных лампах Эдисона, вероятно, давно превратились бы в графит. Тем не менее эта работа подчёркивает потенциал для новых открытий за счёт переосмысления ранних технологий с использованием современных методов материаловедения и аналитических инструментов. Такой подход может помочь выявить другие материалы или реакции, которые остались незамеченными в прошлом. Это подтверждает, что инновации могут возникать благодаря новому взгляду на историю науки.

Источник: Ars Technica