Американские исследователи обнаружили данные, которые указывают на неожиданную деталь: Томас Эдисон, вероятно, случайно получал графен еще в 1879 году, более чем за столетие до его официального открытия и научного описания. Это происходило во время экспериментов с первыми электрическими лампами, когда он работал с угольными нитями накаливания.
Работу выполнила группа под руководством Джеймса Тура, профессора химии, материаловедения и наноинженерии из Университета Райса. Команда решила воспроизвести опыты Эдисона с лампами накаливания, используя современные методы анализа. Задача заключалась в том, чтобы понять, какие физико-химические процессы могли происходить в углеродных нитях под действием электричества в условиях XIX века.
Исследователи воссоздали конструкцию лампы с угольной нитью, максимально близкую к оригинальной модели Эдисона, и подали на нее электрические режимы, соответствующие историческим параметрам. В результате выяснилось, что отдельные участки нити преобразуются в так называемый турбостратический графен.
Турбостратический графен представляет собой многослойную форму материала, в которой углеродные слои расположены хаотично и повернуты относительно друг друга. Такая структура отличается от упорядоченного графена, но высоко ценится в промышленности, поскольку подходит для масштабного производства. Ее применяют, в частности, в системах накопления энергии и при создании усиленных композитов.
Чтобы понять механизм этого процесса, важно учитывать свойства самого графена. Он представляет собой одноатомный слой углерода с шестиугольной кристаллической решеткой, напоминающей пчелиные соты. Графен считается одним из самых прочных известных материалов: при той же толщине он примерно в 200 раз прочнее стали, обладает высокой электропроводностью, гибкостью, прозрачностью и почти не пропускает газы и жидкости. Впервые как самостоятельный материал он был выделен в 2004 году Андре Геймом и Константином Новоселовым в Манчестерском университете.
В современной науке один из способов получения турбостратического графена называется flash Joule heating, или «импульсный джоулев нагрев». В этом методе через углеродсодержащую среду пропускают мощный электрический ток, который за доли секунды разогревает ее до температур порядка 2000–3000 °C. В таких условиях структура углерода перестраивается, формируя графеновые слои.
В лампах Эдисона, разумеется, не применялись современные материалы. В конце XIX века нити накаливания изготавливали из природного углерода, часто из японского бамбука, а не из вольфрама, как в современных лампах. При прохождении тока электрическое сопротивление вызывало резкий нагрев, необходимый для свечения. По мнению ученых, по своей физике эти процессы были близки к современному импульсному джоулеву нагреву и могли создавать условия для формирования графеновых структур.
Идея проверить эту гипотезу возникла у Лукаса Эдди, первого автора исследования и бывшего аспиранта Университета Райса. Он искал максимально простые и доступные способы масштабного получения графена и обратил внимание на то, что в ранних лампах использовались углеродные нити. В ходе работы он рассматривал разные источники экстремального нагрева, от сварочных аппаратов до экзотических вариантов вроде деревьев, пораженных молнией, но именно историческая конструкция лампы Эдисона оказалась наиболее перспективной моделью.
Для эксперимента команда приобрела лампы ручной работы в художественном магазине в Нью-Йорке, максимально точно соответствующие параметрам, указанным в патенте Эдисона 1879 года. Их подключили к источнику постоянного тока напряжением 110 вольт и включали примерно на 20 секунд. При более длительной работе, как отмечают авторы, начинал формироваться уже не графен, а графит, что указывает на чувствительность процесса к температуре и времени воздействия.
Итак, речь, разумеется, не идет о том, что Эдисон «открыл» графен в научном смысле. Он не знал о существовании такого материала, не исследовал его свойства и не мог зафиксировать его присутствие. Однако с точки зрения физики процесса получается, что в его экспериментах уже формировались те же структуры, которые сегодня получают в лабораториях с помощью высокотехнологичного оборудования.
В этом контексте лампа Эдисона неожиданно оказывается не только символом начала электрической эпохи, но и частью истории материаловедения, о которой раньше почти не задумывались.