История науки полна забытых и пропущенных открытий, которые дожидаются своего часа десятилетиями. Графен, представляющий собой слой углерода толщиной в один атом, официально был синтезирован лишь в начале XXI века, принеся своим создателям Нобелевскую премию. Но недавнее исследование показывает, что Томас Эдисон в ходе поисков идеальной нити накала для электрической лампы мог опередить современников на сто с лишним лет. Работа опубликована в журнале ACS Nano.
Возможно, Томас Эдисон случайно синтезировал графен в 1879 году
Ученые из Университета Райса воссоздали эксперименты Томаса Эдисона 1879 года и обнаружили, что знаменитый изобретатель мог случайно получать графен в своих первых лампочках. Используя бамбуковые нити накаливания и современные методы нагрева, физики подтвердили возможность формирования наноматериала.
Томас Эдисон с лампочкой 1883 года. Public domain
Существует разница между графитом (грифелем карандаша) и графеном. Графит состоит из множества слоев графена, плотно уложенных друг на друга. В «турбостратном» варианте, который получили современные ученые, эти слои смещены и повернуты относительно друг друга под случайными углами. Такая структура критически важна: слои слабо связаны между собой, что позволяет легко разделять их и использовать материал в промышленности. Именно такой тип графена легче всего синтезировать методом быстрого нагрева, который невольно применял Эдисон.
В те времена изобретатель перепробовал тысячи материалов, остановившись на карбонизированном бамбуке. Сегодняшние физики, изучив патенты XIX века, пришли к выводу: условия внутри тех ламп — вакуум и экстремально высокие температуры — идеально подходят для появления так называемого турбостратного графена.
Лампы Эдисона с угольной нитью накаливания, начало 1880-х годов
Соавтор работы, химик Джеймс Тур, отмечает особую значимость связи времен в этом эксперименте: «Воспроизвести то, что сделал Томас Эдисон, с помощью инструментов и знаний, которыми мы располагаем сейчас, — это захватывающе. Тот факт, что он мог производить графен, пробуждает любопытство относительно того, какая еще информация скрыта в исторических экспериментах. Какие вопросы задали бы наши научные предки, если бы они могли присоединиться к нам в лаборатории сегодня? На какие вопросы мы можем ответить, если пересмотрим их работу через призму современности?». Исследователи убеждены, что переосмысление старых технологий может привести к неожиданным прорывам в материаловедении.
Секрет бамбуковой нити
TEM-изображение необработанной углеродной нити до и после джоулева нагрева. На изображении (B) в нити наблюдаются отчетливые слои графена среди некоторых участков не преобразованного аморфного углерода.
Процесс превращения обычного углерода в графен требует достижения температуры около 3000 градусов Цельсия. Аспирант Лукас Эдди, работавший под руководством Тура, использовал метод флеш-джоулевого нагрева, подавая высокое напряжение на бамбуковую нить в течение коротких промежутков времени.
Выяснилось, что если пропускать ток слишком долго, материал превращается в обычный графит, но при импульсном воздействии длительностью в 20 секунд на поверхности образуется характерный серебристый блеск. Спектроскопия подтвердила: это и есть графен.
Хотя прямых доказательств наличия графена в оригинальных лампах Эдисона не сохранилось — за сто лет он неизбежно деградировал бы до графита — физические условия его опытов полностью соответствуют современным протоколам синтеза. Это открытие заставляет иначе взглянуть на вакуумные трубки и дуговые лампы прошлого.