وقتی لامپ ادیسون به گرافن می رسد کشفی اعجاب انگیز از دل تاریخ علم
بیست و یکم: پژوهشی تازه نشان میدهد که توماس ادیسون، بی آنکه بداند، شاید بالاتر از یک قرن پیش در جریان آزمایش هایش برای ساخت لامپ برق، موفق به تولید نوعی گرافن شده باشد.
به گزارش بیست و یکم به نقل از ستاد نانو، چه وجه مشترکی میان توماس ادیسون، مخترع نامدار، و کنستانتین نووسلف و آندره گایم، برنده های جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۱۰، وجود دارد؟ پاسخ این پرسش، بر مبنای مقاله ای تازه از لابراتوار جیمز تور در دانشگاه رایس (Rice University) که در مجله علمی «ای سی اس نانو» (ACS Nano) پخش شده، می تواند «گرافن» باشد. پاسخی که اگر به گوش ادیسون می رسید، احتمالا او را سردرگم می کرد؛ چونکه ادیسون نزدیک به ۲۰ سال قبل از آنکه فیزیک دان بریتانیایی، پی. آر. والاس، وجود چنین ماده ای را بطور نظری مطرح کند، از دنیا رفته بود و حدود ۸۰ سال قبل از آنکه نووسلف و گایم به علت جداسازی و شناسایی گرافن جایزه نوبل دریافت نمایند.
گرافن ماده ای شفاف، به شدت مستحکم و با ضخامتی در حد یک اتم است که امروز در کاربردهایی مانند نیمه رساناها، الکترونیک پیشرفته و تکنولوژی های جدید انرژی نقش کلیدی دارد. یکی از گونه های آن، معروف به «گرافن توربوستراتیک»، از راه اعمال ولتاژ به یک ماده مقاوم کربنی و گرم کردن سریع آن تا دمایی حدود ۲ تا سه هزار درجه سانتی گراد تولید می شود.
در ادبیات علمی امروز، این شیوه «گرمایش ژولی لحظه ای» یا فلش ژول هیتینگ نام دارد. اما در سال ۱۸۷۹، آن چه در اختیار ادیسون بود، فقط روشن کردن یکی از لامپ های تازه ثبت شده و پایدارش به شمار می رفت. برعکس لامپ های رشته ای امروزی که از تنگستن استفاده می نمایند، نمونه های اولیه اغلب دارای رشته هایی از مواد مقاوم کربنی، همچون بامبوی ژاپنی بودند. با زدن یک کلید، ولتاژ اعمال می شد و رشته به سرعت داغ می شد؛ فرآیندی که نور تولید می کرد یا شاید، بسته به قرن و زاویه نگاه، گرافن.
لوکاس ادی، نویسنده اول مقاله و دانش آموخته پیشین دانشگاه رایس، توضیح می دهد که هدف او توسعه روش هایی برای تولید انبوه گرافن با مواد در دسترس و ارزان بوده است. او از آزمایش با دستگاه های جوش قوسی گرفته تا بررسی درختان صاعقه زده را تجربه کرده، اما هیچ یک نتیجه مطلوبی نداشته اند. تا این که به قول همکارش، «لحظه لامپ روشن شدن» فرا رسید. ادی به یاد آورد که لامپ های اولیه اغلب دارای رشته های کربنی بودند و می توانستند ساده ترین ابزار برای گرمایش ژولی لحظه ای باشند.
دلیل تمرکز بر لامپ های ادیسون این بود که طراحی ثبت شده وی در سال ۱۸۷۹ به دمای بحرانی حدود ۲ هزار درجه سانتی گراد می رسید. افزون بر این، همان پتنت تاریخی به ادی نقشه ای دقیق برای بازسازی آزمایش ارایه می داد. بعد از چند تلاش ناموفق و مواجهه با رشته هایی که به ظاهر کربنی اما در واقع تنگستنی بودند، او سر انجام در یک فروشگاه هنری کوچک در نیویورک لامپ های دست ساز سبک ادیسونی یافت که حتی از بامبوی ژاپنی برای رشته استفاده می کردند. قطر رشته ها نیز تنها حدود ۵ میکرومتر با نمونه های اصلی ادیسون تفاوت داشت.
ادی همانند ادیسون، لامپ را به منبع برق مستقیم ۱۱۰ ولت متصل کرد و فقط جهت ۲۰ ثانیه آنرا روشن نگه داشت؛ چونکه گرم شدن طولانی تر می تواند به تشکیل گرافیت بجای گرافن منجر شود. زیر میکروسکوپ نوری، رنگ رشته از خاکستری تیره به نقره ای براق تغییر کرده بود؛ نشانه ای از وقوع یک دگرگونی ساختاری.
برای شناسایی دقیق این تغییر، از طیف سنجی رامان استفاده شد؛ روشی که در دهه ۱۹۳۰ توسعه یافت و با استفاده از لیزر، امضای اتمی مواد را مانند یک بارکد می خواند. نتایج تأیید کرد که قسمتهایی از رشته به گرافن توربوستراتیک تبدیل گشته اند. به این ترتیب، این احتمال مطرح می شود که ادیسون، در راه ساخت یک لامپ کاربردی جهت زندگی روزمره، ناخواسته ماده ای را ساخته باشد که امروز برای فناوری محورترین صنایع جهان حیاتیست.
با این حال، محققان تاکید می کنند که هیچ راه قطعی برای دانستن آن چه دقیقاً در آزمایش های تاریخی ادیسون روی داده وجود ندارد. حتی اگر لامپ اصلی وی در دسترس بود، هر گرافن احتمالی احتمالا در جریان اولین آزمایش ۱۳ ساعته به گرافیت تبدیل گشته بود. جیمز تور، استاد شیمی دانشگاه رایس و نویسنده مسئول مقاله، می گوید بازآفرینی آزمایش های ادیسون با ابزار و دانش امروزی هیجان انگیز است و این پرسش را پیش می کشد که چه اطلاعات پرارزش دیگری امکان دارد در دل آزمایش های تاریخی نهفته باشد؛ پرسش هایی که شاید با نگاهی مدرن بتوان به آنها پاسخ داد.
حرف آخر اینکه گرافن ماده ای شفاف، بشدت مستحکم و با ضخامتی در حد یک اتم است که امروز در کاربردهایی مانند نیمه رساناها، الکترونیک پیشرفته و فناوری های نوین انرژی نقش کلیدی دارد. در ادبیات علمی امروز، این شیوه گرمایش ژولی لحظه ای یا فلش ژول هیتینگ نام دارد. برای شناسایی دقیق این تغییر، از طیف سنجی رامان استفاده شد؛ روشی که در دهه ۱۹۳۰ توسعه یافت و با استفاده از لیزر، امضای اتمی مواد را مانند یک بارکد می خواند.
منبع: بیست و یكم
این مطلب بیست و یکم را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان قرن بیست و یکم در مورد این مطلب