Томас Эдисон получил графен за 125 лет до Нобелевской премии. Он просто не знал, куда смотреть
История науки любит иронию. В 2010 году Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию по физике за открытие в 2004 году графена — двумерного углеродного материала с фантастическими свойствами. Их метод был гениально прост: они отшелушивали слои графита с помощью клейкой ленты. Но новое исследование Университета Райса подсказывает, что человечество держало графен в руках гораздо раньше — примерно на 125 лет. Томас Эдисон производил графен в промышленных масштабах еще в 1879 году, хотя и не подозревал об этом.
Это открытие демонстрирует, как фундаментальные физические процессы могут использоваться в технологиях задолго до того, как наука сможет их объяснить. Лаборатория под руководством Джеймса Тура доказала: условия, созданные в первых коммерческих лампах накаливания, идеально подходят для синтеза графена методом импульсного нагрева.
Техническая реконструкция XIX века
Чтобы подтвердить гипотезу, исследователи провели полную физическую реконструкцию экспериментальных условий конца XIX века, опираясь на патент Томаса Эдисона № 223.898, выданный в 1880 году.
В современных лампах используется вольфрамовая спираль, но Эдисон работал с углеродом. Первые нити накаливания изготавливались из органических волокон — хлопка или специально обработанного японского бамбука, которые подвергались пиролизу (обугливанию без доступа воздуха). Полученный материал представлял собой аморфный углерод — вещество с неупорядоченной атомной структурой.
Команда Университета Райса приобрела современные реплики ламп Эдисона с угольной нитью. Параметры эксперимента были следующими:
- Материал: пиролизованное бамбуковое волокно диаметром около 170 микрометров.
- Среда: вакуумированная стеклянная колба.
- Воздействие: напряжение 110 Вольт постоянного тока.
Главный фактор — время и интенсивность. Напряжение подавалось на нить в течение всего 20 секунд, этого короткого промежутка хватило, чтобы запустить перестройку материи.
Механика процесса: импульсный джоулев нагрев
Процесс, происходивший внутри лампы Эдисона, в современной физике классифицируется как Flash Joule Heating (FJH) — импульсный джоулев нагрев.
Суть явления заключается в стремительном повышении температуры проводника при прохождении через него электрического тока. В эксперименте температура нити за доли секунды достигла стабилизированного значения в 2173 °C.
При таких экстремальных температурах аморфный углерод переходит в нестабильное состояние. Атомы, ранее расположенные хаотично, получают достаточно кинетической энергии, чтобы разорвать существующие связи и выстроиться в более термодинамически выгодную структуру. Для углерода такой идеальной структурой является гексагональная решетка — плоская сетка из шестиугольников.
Именно это и произошло в лампе. Аморфный уголь «спекался», превращаясь в высокоупорядоченную кристаллическую форму. Первым физическим доказательством трансформации стало изменение электропроводности. После остывания сопротивление нити упало с начальных 353 Ом до 234 Ом — снижение составило 35%. Такое резкое улучшение проводимости характерно при переходе от неупорядоченного углерода к графитоподобным структурам.
Доказательная база: спектральный анализ
Для подтверждения того, что полученный материал является именно графеном, а не обычным графитом, ученые использовали методы рамановской спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ).
Визуальный осмотр показал, что нить изменила свои оптические свойства: матовая темно-серая поверхность стала блестящей и серебристой. Однако главные доказательства были получены на атомном уровне.
Рамановская спектроскопия — это метод, позволяющий определить структуру вещества по тому, как оно рассеивает лазерный свет. Спектр материала, полученного из лампы Эдисона, показал три важных параметра:
- Пик D: отвечает за дефекты в кристаллической решетке. После нагрева его интенсивность значительно снизилась, что говорит об упорядочивании структуры.
- Пик G: характеризует наличие связей sp2, типичных для графитовых материалов.
- Пик 2D: самый важный индикатор. Его форма и интенсивность позволяют отличить многослойный графит от графена. В образце этот пик был ярко выражен и имел специфическую форму (одиночный лоренцевский контур), что является маркером так называемого турбостратного графена.
Что такое турбостратный графен?
Тут нужно уточнить терминологию. Графен, за который дали Нобелевскую премию — это идеальный слой углерода толщиной в один атом. Графит (грифель карандаша) — это множество таких слоев, жестко упорядоченных друг относительно друга (структура ABAB).
Материал, полученный в лампе Эдисона, относится к классу турбостратного графена. Это состояние материи, при котором слои графена уже сформировались, но они не связаны между собой жестким порядком, как в графите. Слои лежат друг на друге, но они смещены или повернуты на произвольные углы вокруг вертикальной оси.
Электронная микроскопия показала, что расстояние между слоями в нити Эдисона увеличилось до 0,345 нанометров (в обычном графите оно меньше). Это увеличенное расстояние ослабляет Ван-дер-Ваальсовы силы притяжения между слоями. В результате каждый слой ведет себя практически как изолированный двумерный материал, сохраняя уникальные электронные свойства графена, несмотря на то, что находится в массиве.
Технологический парадокс
Исследование Университета Райса выявляет интересный парадокс технологического прогресса. Томас Эдисон и его команда инженеров в Менло-Парке решали прикладную задачу: им нужно было создать источник света, который не перегорал бы за несколько часов. Методом проб и ошибок они обнаружили, что угольная нить становится стабильной только после интенсивного прокаливания в вакууме.
Эдисон не знал о существовании гексагональной кристаллической решетки. Он не оперировал понятиями квантовой физики или наноматериалов. Но он эмпирически нашел режим Flash Joule Heating, который сегодня считается одним из самых перспективных методов получения графена.
Фактически, каждая работающая угольная лампа конца XIX века представляла собой миниатюрный реактор по синтезу графена. Электрический ток не просто нагревал нить для свечения — он проводил термохимическую реакцию in situ (на месте), превращая дешевое растительное сырье в один из самых совершенных материалов, известных современной науке.
Значение для современной науки
Почему это открытие важно сегодня, спустя 147 лет? Оно подтверждает эффективность метода импульсного джоулева нагрева. Лаборатория Джеймса Тура, проводившая это исследование, активно разрабатывает технологии переработки углеродсодержащих отходов (пластика, резины, пищевых отходов) в графен именно этим методом.
Тот факт, что процесс успешно протекал в примитивных лампах XIX века, доказывает его исключительную надежность и робастность. Для синтеза высококачественного турбостратного графена не требуются стерильные «чистые комнаты» или сложное каталитическое оборудование. Достаточно быстрого электрического разряда и высокой температуры.
История с лампой Эдисона напоминает нам, что человечество часто использует технологии, полный физический смысл которых становится понятен лишь спустя столетия. Мы можем управлять процессами, не понимая их глубинной природы, но когда понимание приходит, оно открывает возможности для совершенствования старых идей на принципиально новом уровне. То, что для Эдисона было просто хорошей нитью накаливая, для нас становится ключом к дешевому производству наноматериалов будущего.
Источник:ACS publications