تولید تصادفی گرافن در لامپ ادیسون

به گزارش ایسنا، محققان آمریکایی شواهدی را کشف کردند که نشان می دهد 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 و 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 تکرار کردند و شرایط الکتریکی مشابه آنچه در قرن نوزدهم استفاده می شد را اعمال کردند. سپس متوجه شدند که بخش هایی از رشته به گرافن توربواستراتیک تبدیل شده است.

گرافن توربواستراتیک نوعی گرافن چندلایه است که به دلیل چرخش تصادفی و آرایش غیر تراز بین لایه ها شناخته شده است. این ماده برای تولید مقیاس پذیر و با حجم بالا به ویژه در ذخیره انرژی و تقویت کامپوزیت ارزشمند است.

تور، نویسنده اصلی مقاله گفت: «این هیجان انگیز است که بتوانیم کاری را که توماس ادیسون انجام داد با ابزارها و دانشی 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 قوی‌ترین ماده جهان (حدود 200 برابر قوی‌تر از فولاد) به حساب می‌آید، در زمره رساناترین مواد الکتریکی نیز قرار دارد.

علاوه بر این، بسیار انعطاف پذیر، 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 در 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.

با این حال، 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 می‌شد، تکیه داشت.

هنگامی که الکتریسیته از این رشته ها عبور می کرد، مقاومت الکتریکی باعث گرمایش سریع می شد که نور تولید می کرد. 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 بوده باشد.

کشف فیبر کربن

لوکاس ادی، فارغ التحصیل سابق رایس و اولین نویسنده مقاله، در تلاش برای یافتن ساده ترین تجهیزات برای تولید انبوه گرافن بود 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 همه چیز را آزمایش می کردم، از جوشکارهای قوس الکتریکی که کارآمدتر از هر چیزی که تا به حال ساخته بودم، گرفته تا درختان صاعقه زده که 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 به دست آوردند که با مشخصات ثبت اختراع اولیه 1879 مطابقت داشت.

محققان سپس لامپ ها را بر اساس تنظیمات اولیه به یک منبع تغذیه 110 ولتی با جریان مستقیم متصل کردند و آنها را برای تقریبا 20 ثانیه روشن کردند. آنها اشاره کردند که زمان 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 حضور گرافن توربواستراتتیک را در بخش‌هایی از رشته تأیید کرد. اگرچه هیچ راهی برای تعیین اینکه آیا گرافن در آزمایش‌های اولیه ادیسون باقی مانده است یا خیر، وجود ندارد، یافته‌ها نشان می‌دهد که ممکن است مدت‌ها قبل از کشف در مقادیر کمی شکل گرفته باشد.

ثور در یک بیانیه مطبوعاتی به این نتیجه رسید که دریافت که او قادر به تولید گرافن است، کنجکاوی در مورد اینکه چه اطلاعات دیگری در آزمایش‌های تاریخی پنهان شده است را افزایش می‌دهد.

این مطالعه در مجله ACS Nano منتشر شد.