کشف شگفت‌انگیز: فرضیه تولید تصادفی گرافن توسط توماس ادیسون در سال ۱۸۷۹

کشف شگفت‌انگیز: آیا ادیسون به طور تصادفی گرافن را ساخت؟

دانشمندان دانشگاه رایس با بازسازی آزمایشات پیشگامانه توماس ادیسون برای توسعه لامپ رشته‌ای، به کشفی غیرمنتظره دست یافته‌اند که فرضیه تولید تصادفی گرافن توسط این مخترع بزرگ در سال ۱۸۷۹ را مطرح می‌کند. این ماده دو بعدی شگفت‌انگیز، با خواص منحصربه‌فرد خود، اکنون در کانون توجه پژوهشگران قرار گرفته و این پژوهش دریچه‌ای نو به سوی بازخوانی اکتشافات تاریخی با ابزارهای فناورانه امروز گشوده است.

گرافن: ماده‌ای با خواص بی‌نظیر

گرافن، نازک‌ترین ماده شناخته‌شده، از یک لایه اتم کربن تشکیل شده که در شبکه‌ای شش‌ضلعی آرایش یافته است. این ساختار اتمی خاص، خواص غیرمعمولی به آن می‌بخشد و آن را برای کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف، از الکترونیک گرفته تا پزشکی، نویدبخش می‌سازد. فیزیک‌دانانی که برای اولین بار گرافن را در آزمایشگاه سنتز کردند، در سال ۲۰۱۰ جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کردند.

اما بر اساس مقاله‌ای جدید که در مجله ACS Nano منتشر شده، توماس ادیسون، مخترع بزرگ قرن نوزدهم، ممکن است بیش از یک قرن پیش و به طور ناخواسته، گرافن را به عنوان محصول جانبی آزمایشات اصلی خود بر روی لامپ‌های رشته‌ای تولید کرده باشد.

پیشینه تلاش‌های ادیسون برای لامپ رشته‌ای

ادیسون مخترع مفهوم لامپ رشته‌ای نبود؛ نسخه‌های متعددی از این لامپ‌ها پیش از تلاش‌های او وجود داشتند. با این حال، عمر کوتاه و نیاز به جریان الکتریکی بالای آن‌ها، با دیدگاه ادیسون برای تجاری‌سازی در مقیاس بزرگ همخوانی نداشت. او با مواد رشته‌ای مختلفی آزمایش کرد و در نهایت دریافت که بامبوی کربن‌سازی‌شده بهترین رشته را می‌سازد و عمر مفید لامپ را با منبع تغذیه ۱۱۰ ولت به بیش از ۱۲۰۰ ساعت می‌رساند.

بازسازی آزمایشات ادیسون و تولید گرافن

لوکاس ادی، دانشجوی ارشد جیمز تور در دانشگاه رایس، با هدف تولید انبوه گرافن با استفاده از ساده‌ترین تجهیزات ممکن، به بررسی روش‌های ادیسون پرداخت. او دریافت که لامپ ادیسون می‌تواند دمای حیاتی ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد را که برای گرمایش ناگهانی ژول، بهترین روش برای ساخت گرافن توربواستراتیک، لازم است، فراهم کند.

ادی با دسترسی به پتنت اصلی ادیسون در سال ۱۸۷۹ که فرآیند اختراع را شرح می‌داد، آزمایش ادیسون را بازسازی کرد. او لامپ‌ها را به منبع تغذیه ۱۱۰ ولت متصل کرد و آن‌ها را به مدت ۲۰ ثانیه روشن نگه داشت تا ماده مبتنی بر کربن به سرعت تا دمای بین ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد گرم شود. روشن نگه داشتن طولانی‌تر لامپ منجر به تولید گرافیت می‌شد.

ادی نتایج را با استفاده از یک میکروسکوپ نوری مدرن بررسی کرد. در ابتدا، تلاش او به دلیل استفاده از رشته‌های تنگستن به جای کربن بی‌نتیجه ماند، اما در نهایت او لامپ‌های دست‌ساز به سبک ادیسون را پیدا کرد که از رشته‌های بامبو استفاده می‌کردند.

نتایج غیرمنتظره و چشم‌اندازهای پژوهشی

در این آزمایش، ادی مشاهده کرد که رشته کربنی به رنگ «نقره‌ای درخشان» درآمده است. طیف‌سنجی رامان نشان داد که بخش‌هایی از رشته به گرافن توربواستراتیک تبدیل شده‌اند. تیم تحقیقاتی همچنین با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری، تصاویری از قبل و بعد آزمایش تهیه کردند.

ادی و همکارانش اذعان دارند که این یافته اثبات قطعی تولید گرافن توسط ادیسون نیست؛ چرا که مخترع آن زمان ابزاری برای شناسایی چنین ماده‌ای نداشت. همچنین، حتی اگر لامپ‌های اصلی ادیسون مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گرفتند، هرگونه گرافن در آن‌ها مدت‌ها پیش به گرافیت تبدیل شده بود.

این پژوهش پتانسیل تحقیقاتی بالایی را برای بازبینی سایر فناوری‌های اولیه با استفاده از ابزارهای علم مواد مدرن، مانند لوله‌های خلأ، لامپ‌های قوسی و لوله‌های اولیه اشعه ایکس، نشان می‌دهد. این وسایل نیز ممکن است به طور تصادفی مواد یا واکنش‌های غیرمعمولی تولید کرده باشند که در آن زمان تحلیل یا حتی مورد توجه قرار نگرفتند و اکنون می‌توانند با ابزارهای پیشرفته مورد بررسی قرار گیرند.