Томас Едисон е получил графен 125 години преди Нобеловата награда за него. Той просто не е знаел къде да погледне

Историята на науката обича иронията. През 2010 г. Андрей Гейм и Константин Новоселов получиха за 2004 г. Нобелова награда за физика за откриването на графена – двуизмерен въглероден материал с фантастични свойства. Техният метод е гениално прост: те отлепват слоеве графит с помощта на самозалепваща лента. Но ново изследване на Университета Райс показва, че човечеството е имало графен в ръцете си много по-рано – преди около 125 години. Томас Едисон е произвеждал графен в промишлени мащаби още през 1879 г., въпреки че не го е осъзнавал.

Това откритие показва как фундаментални физични процеси могат да се използват в технологиите много преди науката да може да ги обясни. Лабораторията, ръководена от Джеймс Тур, доказа: условията, създадени в първите търговски крушки с нажежаема жичка, са идеални за синтеза на графен чрез импулсно нагряване.

Техническата реконструкция от XIX век

За да потвърдят хипотезата, изследователите са извършили пълна физическа реконструкция на експерименталните условия от края на XIX век, като са се позовали на патент № 223 898 на Томас Едисон, издаден през 1880 г.

Съвременните лампи използват волфрамова намотка, но Едисон е работил с въглерод. Първите нишки са били изработени от органични влакна – памук или специално обработен японски бамбук – които са били пиролизирани (овъглени без въздух). Полученият материал е аморфен въглерод – вещество с неорганизирана атомна структура.

Екипът от Университета Райс закупи съвременни реплики на лампи на Едисон с въглеродни нишки. Параметрите на експеримента бяха следните:

• Материал: пиролизирано бамбуково влакно с диаметър около 170 микрометра.
• Среда: вакуумирана стъклена колба.
• Въздействие: 110 волта постоянно напрежение.

Главните фактори са времето и интензитетът. Напрежението е приложено към влакното само за 20 секунди, като този кратък интервал е достатъчен, за да предизвика пренареждане на материята.

Механиката на процеса: импулсно джаулово нагряване

Процесът, който протича в лампата на Едисон, се класифицира в съвременната физика като импулсно джаулово нагряване (FJH – Flash Joule Heating).

Същността на явлението се състои в бързото повишаване на температурата на проводника, когато през него преминава електрически ток. При експеримента температурата на нажежаемата жичка достига стабилна стойност от 2173 °C за част от секундата.

При такива екстремни температури аморфният въглерод преминава в нестабилно състояние. Атомите, които преди това са били подредени хаотично, получават достатъчно кинетична енергия, за да разкъсат съществуващите връзки и да се подредят в по-благоприятна от термодинамична гледна точка структура. За въглерода тази идеална структура е хексагоналната решетка – плоска мрежа от шестоъгълници.

Точно това се е случило в лампата. Аморфният въглерод се „спича“, превръщайки се във високоорганизирана кристална форма. Първото физическо доказателство за трансформацията е промяната в електропроводимостта. След охлаждането съпротивлението на нажежаемата жичка намалява от първоначалните 353 ома на 234 ома – намаление с 35%. Това драстично подобрение на проводимостта е характерно за прехода от неорганизиран въглерод към графитоподобни структури.

Доказателствената база: спектралният анализ

За да потвърдят, че полученият материал е именно графен, а не обикновен графит, учените използват методите на Рамановата спектроскопия и трансмисионната електронна микроскопия (ТЕМ).

Визуалната проверка показва, че нишката променя оптичните си свойства: матовата тъмносива повърхност става лъскава и сребриста. Основното доказателство обаче е получено на атомно ниво.

Рамановата спектроскопия е техника, която може да определи структурата на дадено вещество по начина, по който то разпръсква лазерната светлина. Спектърът на материала, получен от лампата на Едисон, показа три важни параметъра:

1. Пикът D: отговаря за дефектите в кристалната решетка. След нагряване интензитетът му значително намалява, което показва подредеността на структурата.
2. Пикът G: характеризира наличието на sp2 връзки, характерни за графитните материали.
3. Пикът 2D: най-важният индикатор. Неговата форма и интензитет дават възможност да се разграничи многослойният графит от графена. В образеца този пик е ясно изразен и има специфична форма (единичен лоренцов контур), което е маркер за така наречения турбостратен графен.

Какво представлява турбостратният графен?

Тук трябва да изясним терминологията. Графенът, за който е присъдена Нобеловата награда, представлява идеален слой въглерод с дебелина един атом. Графитът (острието за моливи) е съвкупност от такива слоеве, които са твърдо подредени един спрямо друг (структура тип ABAB).

Материалът, получен в лампата на Едисон, принадлежи към класа на турбостратния графен. Това е състояние на материята, при което слоевете графен вече са се образували, но не са твърдо свързани помежду си, както при графита. Слоевете лежат един върху друг, но са изместени или завъртени под произволен ъгъл около вертикална ос.

Електронната микроскопия показа, че разстоянието между слоевете в нишката на Едисон се е увеличило до 0,345 нанометра (по-малко при обикновения графит). Това увеличено разстояние отслабва ван дер Ваалсовите сили на привличане между слоевете. В резултат на това всеки слой се държи почти като изолиран двуизмерен материал, като запазва уникалните електронни свойства на графена, въпреки че е в масив.

Технологичният парадокс

Изследването на Университета Райс разкрива интересен парадокс на технологичния прогрес. Томас Едисон и неговият екип от инженери в Менло Парк решават приложен проблем: трябва да създадат източник на светлина, който да не изгаря за няколко часа. Чрез опити и грешки те откриват, че въглеродната нишка става стабилна само след интензивно изпичане във вакуум.

Едисон не е знаел за съществуването на хексагоналната кристална решетка. Той не е оперирал с концепциите на квантовата физика или наноматериалите. Но емпирично е открил режима на светкавично нагряване по Джаул, който днес се смята за един от най-обещаващите методи за производство на графен.

Въпреки че е притежавал изключителна интуиция, Едисон е бил преди всичко прагматик. За него въглеродният слой е бил просто средство за постигане на електрическо съпротивление и светлина.

Всъщност всяка работеща въглищна лампа от края на XIX век е била миниатюрен реактор за синтез на графен. Електрическият ток не просто нагрявал нажежаемата жичка, за да светне – той извършвал термохимична реакция на място, превръщайки евтиния растителен материал в един от най-съвременните материали, познати на съвременната наука.

Значение за съвременната наука

Защо това откритие е важно днес, 147 години по-късно? То потвърждава ефективността на импулсния метод на нагряване на Джаул. Лабораторията на Джеймс Тур, която провежда това изследване, активно разработва технологии за преработка на въглерод-съдържащи отпадъци (пластмаса, гума, хранителни отпадъци) в графен по този метод.

Фактът, че процесът е бил успешен в примитивните лампи от XIX век, доказва неговата изключителна надеждност и устойчивост. Синтезът на висококачествен турбостратен графен не изисква стерилни „чисти стаи“ или сложно каталитично оборудване. Достатъчни са бърз електрически разряд и висока температура.

Този ретроспективен поглед върху работата на Едисон подчертава, че технологичният прогрес често е въпрос на правилна интерпретация на вече съществуващи факти. Днес графенът се счита за ключов за развитието на свръхбързи транзистори, гъвкава електроника и ново поколение батерии. Фактът, че един от бащите на съвременната цивилизация го е „държал в ръцете си“ без да знае, служи като важно напомняне за важността на фундаменталните изследвания.

Историята на лампата на Едисон ни напомня, че човечеството често използва технологии, чието пълно физическо значение става ясно едва след векове. Можем да контролираме процесите, без да разбираме основната им същност, но когато разбирането дойде, то открива възможности за усъвършенстване на старите идеи на принципно ново ниво. Това, което за Едисон е било просто една добра нажежаема жичка, за нас се превръща в ключ към евтиното производство на наноматериалите на бъдещето.