科学家复原1879年灯泡实验，爱迪生或曾无意中制成石墨烯

IT之家 1 月 25 日消息，美国莱斯大学詹姆斯 · 图尔（James Tour）教授团队一项最新研究提出，19 世纪发明家托马斯 · 阿尔瓦 · 爱迪生在进行白炽灯实验时，可能在无意中制备出了石墨烯。相关成果于 1 月 6 日发表在《ACS Nano》上。

石墨烯是一种由单层碳原子构成的材料，结构呈六角晶格，被认为是目前已知最薄的材料之一，具有高强度、透明性等特性，并在半导体、电池、超级电容器、天线、水过滤器、晶体管、太阳能电池和触控屏等领域展现出应用潜力。

2010 年，物理学家康斯坦丁 · 诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和安德烈 · 海姆（Andre Geim）因成功分离并表征石墨烯而获得诺贝尔物理学奖。

图尔教授团队通过实验复现了爱迪生的实验，证实爱迪生有可能在一个世纪前就制备出了石墨烯，比该材料的理论提出早近 20 年，比其获诺贝尔奖早约 80 年。

论文第一作者、图尔实验室前研究生卢卡斯 · 埃迪（Lucas Eddy）介绍称，他原本致力于寻找用简易设备批量制备石墨烯的方法。“我考虑过电弧焊机、雷击树木等途径，但都陷入死胡同。”“后来我灵光一现：早期灯泡常使用碳基灯丝，而这正是闪速焦耳加热所需的材料。”

该方法通过施加电压将碳材料瞬间加热至 2000–3000 摄氏度，可制备一种名为“乱层 / 湍层石墨烯”（turbostratic graphene）的材料。而这种方法在现代被称为“闪速焦耳加热”（flash Joule heating）。

而在 1879 年，爱迪生并不具备相关理论或术语，但其发明的早期白炽灯在工作原理上具备类似条件。与现代使用钨丝的白炽灯不同，爱迪生早期的灯泡通常采用碳基灯丝，例如日本竹子。接通电源后，电流会迅速加热灯丝并产生光亮。在特定条件下，这一过程即可能促成石墨烯的形成。

研究人员之所以选择爱迪生的灯泡设计，是因为与其他早期灯泡相比，爱迪生在 1879 年获得专利的版本能够达到约 2000 摄氏度的关键温度。此外，该专利为复现实验提供了详细的技术蓝图。

在实验中，埃迪最终从纽约一家小型艺术用品商店购得仿制的爱迪生式灯泡，其竹制灯丝在材质和结构上与原始设计高度相似，直径仅比爱迪生当年的灯丝大约 5 微米。他将灯泡连接至 110V 直流电源，每次通电 20 秒（若加热时间更长，碳材料会转化为石墨而非石墨烯）。

实验后，研究人员通过光学显微镜观察到，灯丝颜色由深灰色变为“有光泽的银色”。随后，团队使用拉曼光谱技术进行分析，该技术通过激光识别材料的原子特征。结果显示，灯丝的部分区域已转变为石墨烯。研究还辅以透射电子显微镜，对材料变化进行了前后对比成像。

研究人员同时强调，这一结果并不能证明爱迪生当年一定制造出了石墨烯。即便他当年确实制备出了石墨烯，也因缺乏检测技术而无从知晓。且即便保存至今，石墨烯也可能在长时间使用中转化为石墨。

图尔教授表示：“用我们现在掌握的工具和知识，去复现爱迪生当年所做的实验，是一件非常令人兴奋的事情。发现他可能曾经制备出石墨烯，会激发人们对历史实验中尚未被发现信息的好奇。”他还提出，通过现代材料科学的视角重新审视真空管、电弧灯和早期 X 射线管等技术，或许还能发现当年未被识别的特殊材料或反应。

IT之家附论文地址：
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12759