Edison je možda još 1879. stvorio grafen, koji je i danas materijal budućnosti

Slavni američki izumitelj Thomas Alva Edison, radeći na konceptu prve komercijalne električne žarulje, možda je davne 1879. godine nenamjerno proizveo grafen – dvodimenzionalni ugljikov materijal debljine jednog atoma, za čije je uspješno izoliranje 2010. godine dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku. Grafen je danas ključan u proizvodnji poluvodiča i modernih tehnologija zbog svoje iznimne čvrstoće i vodljivosti, a vjeruje se da sve njegove prednosti i dalje nisu komercijalno iskorištene.

Nuspojava zagrijavanja

Saznanje da ga je možda Edison, ne znajući, sintetizirao u svojem laboratoriju, objavio je istraživački tim Jamesa Toura iz laboratorija sa Sveučilišta Rice. Oni su do to iznenađujućeg otkrića došli analizirajući eksperimente poznatog inovatora kroz prizmu suvremene znanosti. Ističu kako je metoda kojom je Edison generirao svjetlost zapravo rani oblik onoga što se danas naziva “flash Joule heating” (ultrabrzo impulsno zagrijavanje materijala kroz nekoliko milisekundi).

Provođenjem napona kroz ugljični filament, poput onog načinjenog od japanskog bambusa koji je Edison koristio, materijal se naglo zagrijavao na temperature između 2.000 i 3.000 stupnjeva Celzija. Upravo su ti uvjeti nužni za pretvorbu običnog ugljika u specifičnu vrstu materijala poznatu kao turbostratični grafen.

Repliciranje povijesnog eksperimenta

Glavni autor studije, Lucas Eddy, rekonstruirao je Edisonov eksperiment koristeći autentične nacrte iz njegovog patenta iz 1879. godine. Nakon potrage za izvornim materijalima, Eddy je u New Yorku uspio nabaviti žarulje s nitima od japanskog bambusa, čiji je promjer gotovo identičan onima koje je koristio Edison. Povezivanjem žarulje na istosmjerni izvor napona od 110 V u trajanju od svega 20 sekundi, istraživači su pokrenuli proces transformacije materijala.

Vizualni pregled pod optičkim mikroskopom otkrio je da je tamnosivi ugljični filament postao “sjajno srebrn”. Kako bi precizno odredili o kojoj je tvari riječ, znanstvenici su upotrijebili Ramanovu spektroskopiju, metodu razvijenu 1930-ih godina koja pomoću lasera očitava atomski sastav tvari. Analiza je potvrdila ono čemu su se nadali – dijelovi niti pretvorili su se u spomenuti turbostratični grafen.

Specifična je to strukturna varijanta grafena u kojoj su atomski slojevi naslagani jedan na drugi bez strogog reda ili usklađenosti. Tipično nastaje procesom impulsnog zagrijavanja, kad atomi ugljika nemaju dovoljno vremena da se “postroje” u savršeni red, već se brzo “zamrznu” u tom blago neurednom, ali visokofunkcionalnom stanju.

Grafen ili grafit?

Iako su rezultati repliciranja pokusa nedvojbeni, istraživači naglašavaju da je nemoguće sa sigurnošću znati što se dogodilo u Edisonovim originalnim testovima. Problem leži u trajanju procesa – dok je Eddy zagrijavao niti samo 20 sekundi kako bi izolirao grafen, Edisonove su žarulje tijekom testiranja radile satima. Stručnjaci objašnjavaju da bi se grafen, uslijed dugotrajnog izlaganja visokim temperaturama, vjerojatno tada pretvorio u obični grafit.

Ipak, profesor James Tour ističe važnost ovog otkrića kao inspiraciju za ponovno ispitivanje povijesnih eksperimenata modernim alatima. Prema njegovim riječima, ovo istraživanje otvara pitanja o tome kakve se još znanstvene tajne kriju u radovima pionira tehnologije.