تولید تصادفی گرافن در لامپ ادیسون

به گزارش ایسنا، محققان آمریکایی شواهدی را کشف کرده‌اند که نشان می‌دهد توماس ادیسون ممکن است به طور تصادفی هنگام ساخت اولین لامپ خود در سال 1879، یعنی بیش از یک قرن قبل از اینکه رسماً به رسمیت شناخته شود، گرافن تولید کرده است.

این مطالعه به رهبری جیمز تور، استاد شیمی، علم مواد و مهندسی نانو در دانشگاه رایس، با هدف بازسازی آزمایش‌های اولیه ادیسون با استفاده از ابزارهای تحلیلی مدرن انجام شد.

محققان طرح لامپ رشته کربنی مخترع آمریکایی را کپی کردند و شرایط الکتریکی مشابه آنچه در قرن نوزدهم استفاده می شد را اعمال کردند. سپس متوجه شدند که برخی از بخش‌های رشته به گرافن توربواستراتیک تبدیل شده است.

گرافن توربواستراتیک نوعی گرافن چندلایه است که به دلیل چرخش تصادفی و آرایش نامرتب بین لایه‌ها شناخته می‌شود. این ماده برای تولید مقیاس پذیر و با حجم بالا به ویژه در زمینه های ذخیره انرژی و تقویت کامپوزیت ارزشمند است.

تور، نویسنده اصلی این مقاله گفت: «این هیجان انگیز است که بتوانیم کاری را که توماس ادیسون انجام داد با ابزارها و اطلاعاتی که اکنون در اختیار داریم، بازسازی کنیم.

ترمیم لامپ ادیسون

گرافن یک ورقه دو بعدی به ضخامت یک اتم از اتم های کربن است که در یک شبکه لانه زنبوری شش ضلعی قرار گرفته اند. این ماده که نازک‌ترین و بادوام‌ترین ماده جهان (تقریباً 200 برابر قوی‌تر از فولاد) به حساب می‌آید، از جمله موادی است که الکتریسیته را به بهترین نحو هدایت می‌کند.

همچنین بسیار انعطاف پذیر و شفاف است و به عنوان یک مانع موثر در برابر گازها و مایعات عمل می کند. این ماده که به “ماده معجزه گر” معروف است، اولین بار در سال 2004 توسط آندره گیم و کنستانتین نووسلوف از دانشگاه منچستر انگلستان جدا شد.

از زمان کشف، گرافن به یک ماده حیاتی در الکترونیک و ذخیره انرژی تبدیل شده است. امروزه یکی از روش های تولید گرافن توربواستراتتیک به «گرمایش ژول فلاش» معروف است.

در طی این فرآیند، یک جریان الکتریکی به سرعت مواد مبتنی بر کربن را تا دمای تقریباً 2000-3000 درجه سانتیگراد گرم می کند.

اما در اواخر قرن نوزدهم، ادیسون به جای تنگستن مورد استفاده در لامپ‌های رشته‌ای مدرن، به رشته‌های مبتنی بر کربن که اغلب از مواد طبیعی مانند بامبو ژاپنی ساخته می‌شوند، تکیه کرد.

با عبور الکتریسیته از این رشته ها، مقاومت الکتریکی باعث گرم شدن سریع و تولید نور شد. این تیم بر این باور است که این شرایط به طور دقیق منعکس کننده “گرمایش ژول فلاش” مدرن است و ممکن است برای تولید گرافن کافی باشد.

کشف فیبر کربن

لوکاس ادی، فارغ التحصیل سابق رایس و اولین نویسنده مقاله، در تلاش بود تا ساده ترین تجهیزات را برای تولید انبوه گرافن بیابد که به یاد آورد که لامپ های اولیه اغلب از رشته های کربنی استفاده می کردند.

وی گفت: در حال توسعه روش هایی برای تولید انبوه گرافن با مواد موجود و مقرون به صرفه بودم. من در حال آزمایش همه چیز بودم، از جوشکارهای قوس الکتریکی که کارآمدتر از هر چیزی که تا به حال ساخته بودم گرفته تا درختانی که با صاعقه برخورد کرده بودند و کاملاً بی اثر بودند.

برای آزمایش این فرضیه، محققان لامپ های دست ساز به سبک ادیسون را از یک فروشگاه هنری کوچک در شهر نیویورک خریداری کردند که با مشخصات ثبت اختراع اولیه 1879 مطابقت داشت.

محققان سپس لامپ ها را مطابق تنظیمات اولیه خود به یک منبع تغذیه 110 ولتی با جریان مستقیم متصل کردند و حدود 20 ثانیه روشن کردند. آنها اشاره کردند که قرار گرفتن طولانی تر در معرض نور می تواند منجر به تشکیل گرافیت شود.

پس از آزمایش‌ها، دانشمندان از یک میکروسکوپ نوری استفاده کردند و دریافتند که سطح رشته از خاکستری تیره به ظاهر نقره‌ای و فلزی تغییر کرده است. سپس از طیف‌سنجی رامان استفاده کردند، یک تکنیک تحلیلی مبتنی بر لیزر که مواد را با تجزیه و تحلیل نشانه‌های سطح اتمی آن‌ها شناسایی می‌کند.

نتایج وجود گرافن توربواستراتتیک را در برخی از قسمت‌های رشته تأیید کرد. اگرچه هیچ راهی برای تعیین اینکه آیا گرافن در آزمایش‌های اولیه ادیسون باقی مانده است یا نه، وجود ندارد، یافته‌ها نشان می‌دهد که ممکن است مدت‌ها قبل از کشف او در مقادیر کم شکل گرفته باشد.

ثور در بیانیه‌ای مطبوعاتی گفت، یافتن این که می‌تواند گرافن تولید کند، کنجکاوی در مورد اینکه چه اطلاعات دیگری در آزمایش‌های تاریخی پنهان است، افزایش می‌دهد.

این مطالعه در مجله ACS Nano منتشر شد.