Badacze z Rice University wysunęli intrygującą tezę, sugerującą, że Thomas Edison mógł nieświadomie wytworzyć grafen podczas swoich pionierskich prac nad żarówką w 1879 roku. Gdyby się to potwierdziło, oznaczałoby to, że ten niezwykły materiał powstał w jego laboratorium niemal 80 lat przed tym, zanim fizyk P.R. Wallace teoretycznie opisał jego istnienie w 1947 roku. Sam Edison zmarł w 1931 roku, a eksperymentalne potwierdzenie i Nagroda Nobla dla Andre Geima i Konstantina Novoselova przyszły dopiero w 2010 roku. To fascynująca wizja, że przełomowy wynalazek mógł kryć w sobie drugi, zupełnie niezauważony przełom.
Jak żarówka Edisona mogła zrobić grafen?
Grafen to jednoatomowa warstwa węgla o heksagonalnej strukturze, ceniona za świetne przewodnictwo elektryczne i cieplne, wysoką wytrzymałość mechaniczną i grubość mierzoną w pojedynczych atomach. Zespół prof. Jamesa Toura z Rice University skupił się na szczególnej odmianie: grafenie turbostratycznym, w którym warstwy (jeśli jest ich więcej) są „przekręcone” względem siebie, co osłabia typowe oddziaływania międzywarstwowe.
Kluczem jest sposób powstawania. W laboratoriach Toura od kilku lat rozwijana jest metoda flash Joule heating, czyli bardzo szybkie nagrzewanie materiałów węglowych prądem do ekstremalnych temperatur rzędu 2000–3000°C. Właśnie taki profil – gwałtowny skok temperatury pod wpływem przepływu prądu przez cienki element węglowy – zaskakująco dobrze pasuje do warunków, jakie panowały w najwcześniejszych żarówkach Edisona, zanim przemysł przeszedł na włókna wolframowe.
Pierwsze konstrukcje wykorzystywały włókna węglowe, często wytwarzane z materiałów organicznych, m.in. bambusa. Podczas pracy takie włókno rozgrzewało się do temperatur przekraczających 2000°C. Innymi słowy: Edison, próbując uzyskać stabilne i trwałe źródło światła, mógł wielokrotnie odtwarzać warunki, które dziś uważa się za sprzyjające powstawaniu turbostratycznego grafenu.
Rekonstrukcja z 1879 roku w laboratorium XXI wieku
Punktem wyjścia dla weryfikacji hipotezy była bardzo współczesna motywacja: poszukiwanie tanich, skalowalnych metod produkcji grafenu. Główny autor pracy, Lucas Eddy, testował rozmaite ścieżki, a inspiracja przyszła dopiero wtedy, gdy zestawił ideę szybkiego nagrzewania oporowego z opisami historycznych żarówek. Kluczowe okazały się patenty i dokumentacja z epoki, które pozwoliły odtworzyć parametry konstrukcji.
Zespół nie korzystał z muzealnych eksponatów, tylko z możliwie wiernych replik. W relacjach towarzyszących publikacji podkreślano, że znaleziono ręcznie wykonywane żarówki w stylu Edisona z włóknami z japońskiego bambusa, bardzo zbliżone wymiarami do historycznych odpowiedników. Następnie podłączono je do zasilania prądem stałym o napięciu 110 V, zgodnie z tym, co wiadomo o ówczesnych ustawieniach. Różnicą był czas: zamiast wielogodzinnych prób wytrzymałościowych zastosowano krótkie, kontrolowane włączenia rzędu kilkudziesięciu sekund, bo długie grzanie sprzyja przechodzeniu struktury w bardziej zwykły grafit.
Co pokazały pomiary i dlaczego Raman był tu kluczowy?
Po eksperymencie badacze zaobserwowali zmianę wyglądu powierzchni włókna pod mikroskopem optycznym, ale takie wskazówki są zbyt niejednoznaczne, by mówić o grafenie. Prawdziwy test zaczyna się dopiero przy analizach spektroskopowych. Zespół sięgnął po spektroskopię Ramana – narzędzie, którego Edison nie mógł mieć do dyspozycji, a które dziś jest jednym z podstawowych sposobów identyfikacji i oceny jakości materiałów węglowych na poziomie struktury atomowej.
Najważniejsze zastrzeżenie jest proste: to rekonstrukcja, a nie dowód z epoki. Nie mamy pewności, czy w oryginalnych żarówkach Edisona grafen faktycznie powstawał w zauważalnych ilościach, jak długo się utrzymywał i czy nie ulegał degradacji w trakcie długich testów. Wniosek brzmi raczej: warunki, które Edison tworzył rutynowo, mogły sprzyjać powstawaniu grafenu turbostratycznego, a współczesna aparatura potrafi to w takich warunkach wykazać.
Jednocześnie to nie jest wyłącznie anegdota o Edisonie, który wyprzedził epokę. Ta historia ma bardzo praktyczny, współczesny sens. Pokazuje, że ekstremalnie szybkie procesy termiczne, możliwe nawet w pozornie prostych układach, mogą prowadzić do zaskakującej chemii materiałów. I że czasem innowacja nie polega na wymyślaniu wszystkiego od zera, ale na ponownym odczytaniu starych technologii w świetle nowych narzędzi analitycznych.
W tym ujęciu grafen w żarówce nie jest niewidzialnym Noblem Edisona, tylko przypomnieniem, jak często nauka działa warstwowo: najpierw pojawia się zjawisko, potem dopiero język i metody, by je rozpoznać. A skoro w XIX-wiecznym szkle i bambusie mogła zajść przemiana, którą dziś osiąga się w kontrolowanych warunkach laboratoriów materiałowych, trudno nie zadać pytania, ile podobnych drugich odkryć nadal czeka w archiwach, patentach i zapomnianych prototypach.