Żarówka Edisona z 1879 roku mogła wytwarzać grafen

Thomas Alva Edison był amerykańskim wynalazcą, znanym z przełomowych odkryć w dziedzinie stabilnego oświetlenia elektrycznego. Założył jedno z pierwszych nowoczesnych laboratoriów badawczych w Menlo Park w stanie New Jersey i wynalazł pierwszą komercyjnie opłacalną żarówkę elektryczną w 1879 roku.

Naukowcy w nowym badaniu opublikowanym na łamach czasopisma naukowego ACS Nano odtworzyli warunki podobne do tych, w jakich ją wyprodukował i poinformowali, że… żarnik węglowy przekształcał się w grafen, co sugeruje, że Edison mógł uzyskać go w swoich eksperymentach blisko 150 lat temu.

Zespół kierowany przez prof. Jamesa Toura, specjalistę w dziedzinie chemii, materiałoznawstwa i nanoinżynierii, zrekonstruował pierwotny projekt żarówki węglowej amerykańskiego wynalazcy i poddał go analizie za pomocą współczesnych narzędzi badawczych.

Podczas eksperymentu badacze zastosowali takie same parametry elektryczne, jakich Edison mógł używać w XIX wieku. W efekcie część włókna żarowego przekształciła się w grafen turbowarstwowy - odmianę grafenu o nieregularnym losowym ułożeniu warstw, cenioną dziś w przemyśle za możliwość masowej produkcji i wysoką przewodność.

Grafen to jednoatomowa warstwa węgla ułożona w heksagonalną strukturę plastra miodu. Jest około 200 razy mocniejszy od stali, niezwykle przewodzący elektryczność i ciepło, a przy tym elastyczny, przezroczysty i odporny na przenikanie gazów. Odkryli go w 2004 roku Andre Geim i Konstantin Novoselov z Uniwersytetu w Manchesterze, za co później otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Współcześnie grafen powstaje m.in. metodą ogrzewania Joule'a, w której prąd elektryczny błyskawicznie rozgrzewa materiały węglowe do temperatur 2000-3000°C. W epoce Edisona stosowano włókna węglowe pozyskiwane z naturalnych materiałów, np. japońskiego bambusa, zamiast wolframu, który pojawił się dopiero w nowoczesnych żarówkach.

Gdy prąd przepływał przez włókno, jego opór powodował intensywne nagrzewanie i emisję światła. Zespół Toura doszedł do wniosku, że takie warunki mogły przypadkowo odtworzyć proces ogrzewania, a tym samym doprowadzić do chwilowego powstania grafenu.

Pierwszy autor badań, Lucas Eddy, absolwent Rice University, przyznał, że inspiracją były poszukiwania prostych metod masowej produkcji grafenu: "Szukałem najtańszego sposobu jego wytwarzania. Przypomniałem sobie, że dawne żarówki wykorzystywały włókna węglowe". Aby przetestować hipotezę, badacze zakupili ręcznie wykonane żarówki w stylu Edisona z nowojorskiego sklepu artystycznego, odtworzone zgodnie z patentem z 1879 roku.

Podłączono je do zasilania prądem stałym o napięciu 110 V i uruchomiono na około 20 sekund. Efekt? Po testach żarnik zmienił barwę z ciemnoszarej na srebrzystometaliczną, a analiza przy użyciu spektroskopii Ramana potwierdziła obecność grafenu turbowarstwowego w strukturze włókna.

I choć nie ma pewności, czy grafen faktycznie utrzymywał się w oryginalnych żarówkach Edisona, wyniki badań sugerują, że mógł powstawać krótkotrwale w trakcie pracy włókna, na długo przed jego formalnym odkryciem.