Μια σύγχρονη μελέτη υλικών υποδεικνύει ότι τα πρώιμα πειράματα του Τόμας Έντισον με τον λαμπτήρα πυράκτωσης μπορεί να παρήγαγαν εν αγνοία του γραφένιο, δεκαετίες πριν το υλικό θεωρητικοποιηθεί επίσημα ή απομονωθεί.
Ο Τόμας Έντισον δεν άκουσε ποτέ τη λέξη “γραφένιο”, ωστόσο ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Rice πιστεύουν ότι το έργο του ίσως εξακολουθεί να εφάπτεται με αυτό.
Σε μια πρόσφατη δημοσίευση από το εργαστήριο του χημικού James Tour, η ομάδα υποδεικνύει το γραφένιο ως ένα απρόσμενο νήμα που συνδέει τον Έντισον με τον Konstantin Novoselov και τον Andre Geim, τους νικητές του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής 2010 που απομόνωσαν και μελέτησαν το υλικό.
Ο Έντισον πέθανε σχεδόν δύο δεκαετίες πριν ο φυσικός P.R. Wallace προτείνει ότι το γραφένιο ίσως υπάρχει, και σχεδόν 80 χρόνια πριν η επιτροπή Νόμπελ αναγνωρίσει την πειραματική του ανακάλυψη. Το γραφένιο είναι μια μορφή άνθρακα με πάχος μόλις ενός ατόμου, η οποία είναι ταυτόχρονα διαφανής και εξαιρετικά ανθεκτική, με αυξανόμενη σημασία σε σύγχρονες συσκευές όπως οι ημιαγωγοί.
Οι ερευνητές του Rice επικεντρώνονται σε μια παραλλαγή που ονομάζεται στροβιλικό (turbostratic) γραφένιο, η οποία μπορεί να σχηματιστεί όταν ένα ωμικό υλικό άνθρακα δέχεται ηλεκτρική τάση και θερμαίνεται εξαιρετικά γρήγορα στους 2.000 έως 3.000 βαθμούς Κελσίου.
Ένας πρόδρομος της «Αστραπιαίας Θέρμανσης Joule» από τον 19ο αιώνα
Σήμερα, αυτή η μέθοδος της ταχείας ηλεκτρικής θέρμανσης είναι γνωστή ως αστραπιαία θέρμανση Joule (flash Joule heating). Το 1879, ο Έντισον μπορούσε να δημιουργήσει παρόμοιες συνθήκες με έναν πολύ πιο οικείο τρόπο: ανάβοντας έναν από τους πρόσφατα κατοχυρωμένους λαμπτήρες του.Τα πρώτα σχέδια λαμπτήρων πυράκτωσης βασίζονταν συχνά σε νήματα άνθρακα, συμπεριλαμβανομένου του ιαπωνικού μπαμπού, αντί για βολφράμιο.
Όταν το ρεύμα έρεε, το νήμα θερμαινόταν γρήγορα και παρήγαγε φως, και υπό τις κατάλληλες συνθήκες, μπορεί να έκανε κάτι περισσότερο από το να λάμπει. Ενδέχεται να εισερχόταν για λίγο στο εύρος θερμοκρασιών όπου μπορεί να αναδυθεί το γραφένιο.
«Ανέπτυσσα τρόπους για τη μαζική παραγωγή γραφενίου με άμεσα διαθέσιμα και οικονομικά υλικά», εξηγεί ο Lucas Eddy, πρώτος συγγραφέας της μελέτης και πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του Tour στο Πανεπιστήμιο Rice. «Εξέταζα τα πάντα, από μηχανές ηλεκτροσυγκόλλησης, που ήταν πιο αποδοτικές από οτιδήποτε είχα κατασκευάσει ποτέ, μέχρι δέντρα που είχαν χτυπηθεί από κεραυνό, τα οποία κατέληξαν σε πλήρες αδιέξοδο».
Όμως τότε, όπως το έθεσε ένας συνεργάτης του στο εργαστήριο, είχε μια αναλαμπή (light bulb moment). «Προσπαθούσα να βρω τον μικρότερο και απλούστερο εξοπλισμό που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αστραπιαία θέρμανση Joule και θυμήθηκα ότι οι πρώτοι λαμπτήρες χρησιμοποιούσαν συχνά νήματα με βάση τον άνθρακα».
Οι λαμπτήρες του Έντισον δεν επιλέχθηκαν για λόγους νοσταλγίας. Το κατοχυρωμένο σχέδιό του μπορούσε να ωθήσει ένα νήμα άνθρακα περίπου στους 2.000 βαθμούς Κελσίου, ένα εύρος θερμοκρασίας που θεωρείται απαραίτητο για το είδος των ταχέων μετασχηματισμών άνθρακα που η ομάδα ήθελε να δοκιμάσει.
Ένα άλλο πρακτικό πλεονέκτημα ήταν η τεκμηρίωση: H πατέντα του Έντισον από το 1879 προσέφερε στον Eddy ένα λεπτομερές σημείο αναφοράς για την ανακατασκευή της διάταξης όσο το δυνατόν πιο πιστά.
Αναπαράγοντας ένα ιστορικό πείραμα
Η εύρεση ενός πραγματικά συγκρίσιμου λαμπτήρα απαίτησε δοκιμές και σφάλματα. Ο Eddy αγόρασε αρχικά λαμπτήρες τύπου Έντισον που διαφημίζονταν ότι είχαν νήματα “άνθρακα”, μόνο και μόνο για να ανακαλύψει ότι τα νήματα ήταν στην πραγματικότητα από βολφράμιο.
«Δεν μπορείς να κοροϊδέψεις έναν χημικό», γελάει ο Eddy. «Τελικά όμως βρήκα ένα μικρό κατάστημα ειδών τέχνης στη Νέα Υόρκη που πουλούσε χειροποίητους λαμπτήρες τύπου Έντισον».
Οι χειροποίητοι αυτοί λαμπτήρες ήταν ακριβώς όπως του Έντισον, μέχρι και στα νήματα από ιαπωνικό μπαμπού. Ακόμη και οι διάμετροι των νημάτων ήταν παρόμοιες, με τα νήματα του Eddy να είναι μόλις 5 μικρόμετρα μεγαλύτερα από εκείνα του Έντισον. Όπως ακριβώς και ο Έντισον, ο Eddy συνέδεσε τον λαμπτήρα σε μια πηγή συνεχούς ρεύματος (DC) 110 βολτ.
Άνοιξε τον διακόπτη για μόλις 20 δευτερόλεπτα. Μεγαλύτερες περίοδοι θέρμανσης, εξηγεί ο ίδιος, μπορούν να οδηγήσουν στον σχηματισμό γραφίτη αντί για γραφένιο. Όταν το νήμα εξετάστηκε κάτω από οπτικό μικροσκόπιο, η εμφάνισή του είχε ξεκάθαρα αλλάξει. Ο άνθρακας είχε μετατραπεί από ένα θαμπό σκούρο γκρι σε αυτό που ο Eddy περιέγραψε ως “λαμπερό ασημί”.
Μια μεταμόρφωση είχε πιθανότατα συντελεστεί, αλλά σε τι; Για να προσδιορίσει την αλλαγή, ο Eddy κατέφυγε σε μια τεχνική που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1930: Τη φασματοσκοπία Raman.
Η τεχνική αυτή χρησιμοποιεί λέιζερ για την ταυτοποίηση ουσιών μέσω των ατομικών τους υπογραφών, σαν να διαβάζει έναν γραμμωτό κώδικα (barcode). Οι πρόοδοι του τελευταίου αιώνα επιτρέπουν στην τεχνική αυτή να λειτουργεί με εξαιρετική ακρίβεια.
Η φασματοσκοπία επιβεβαίωσε αυτό στο οποίο ήλπιζε ο Eddy: τμήματα του νήματος είχαν μετατραπεί σε στροβιλικό γραφένιο. Ο Έντισον, στην προσπάθειά του να αναπτύξει έναν πρακτικό λαμπτήρα για την καθημερινή ζωή, ίσως μόλις είχε παραγάγει μια ουσία που καθίσταται πλέον καθοριστική για τον τεχνολογικά εξαρτημένο 21ο αιώνα.
Επιστροφή στο παρελθόν με σύγχρονα εργαλεία
Φυσικά, δεν υπάρχει τρόπος να γνωρίζουμε τι συνέβη πραγματικά με το πείραμα του Έντισον που έγινε πριν από τόσα χρόνια. Ακόμα κι αν ο αρχικός λαμπτήρας που χρησιμοποίησε ο Έντισον ήταν διαθέσιμος προς ανάλυση, οποιοδήποτε γραφένιο είχε παραχθεί πιθανότατα θα είχε μετατραπεί σε γραφίτη κατά τη διάρκεια της πρώτης δοκιμής των 13 ωρών.
«Το να αναπαράγουμε αυτό που έκανε ο Τόμας Έντισον, με τα εργαλεία και τη γνώση που διαθέτουμε τώρα, είναι πολύ συναρπαστικό», δήλωσε ο Tour, Καθηγητής Χημείας στην έδρα T.T. και W.F. Chao και αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης.
Η διαπίστωση ότι θα μπορούσε να έχει παραγάγει γραφένιο εμπνέει περιέργεια για το ποιες άλλες πληροφορίες κρύβονται θαμμένες σε ιστορικά πειράματα. Τι ερωτήσεις θα έκαναν οι επιστημονικοί μας πρόγονοι αν μπορούσαν να έρθουν μαζί μας στο εργαστήριο σήμερα;
Σε ποιες ερωτήσεις μπορούμε να απαντήσουμε όταν επανεξετάζουμε το έργο τους μέσα από ένα σύγχρονο πρίσμα;