如果問 179 年前出生的發明之父愛迪生和 2010 年諾貝爾物理學獎得主 Andre Geim、Konstantin Novoselov 有什麼共同點,那可能是石墨烯。
尖端材料有時隱藏在古老技術內,比如萊斯大學 Lucas Eddy 發現早在愛迪生 19 世紀末製作碳絲白熾燈泡時,其高溫加熱過程就導致燈絲表面無意合成被譽為「奇蹟材料」的微量石墨烯(Graphene),只是當時人們不知道。
石墨烯是種極堅固物質,但厚度僅一層原子,可用於半導體等許多現代應用。其中一種石墨烯稱為亂層石墨烯(turbostratic graphene),在耐腐蝕碳基材料上施加電壓並快速加熱至 2,000~3,000℃ 可形成,現代術語稱為焦耳熱閃蒸法(Flash Joule Heating,FJH)。
Lucas Eddy 想開發以現成低廉材料大規模生產石墨烯的方法,突然靈光一現,想到早期使用碳絲而非現代鎢絲的白熾燈泡,便是利用焦耳熱閃蒸法產生光的最簡單設備。
尋找古董設計的碳絲白熾燈泡並不容易,Lucas Eddy 找了幾次才在紐約市一家藝術小館發現出售手工愛迪生風格的燈泡,踏上他的實驗之路:將燈泡連接 110 V 直流電源並通電 20 秒,避免長時間加熱最終形成石墨而非石墨烯,先確認碳絲從深灰色變成有光澤的銀色,拉曼光譜分析再進一步證實部分燈絲已變成亂層石墨烯。

▲ 材料學家重現愛迪生當年製造碳絲燈泡的類似條件,證明碳絲轉化為石墨烯。(Source:ACS Nano 論文)
愛迪生當初只是嘗試開發能用在日常生活的實用燈泡,加熱過程卻可能生產出 21 世紀技術依賴的關鍵物質之一。
為何那時候未發現這件事?首先,當時還沒有電子顯微鏡,無法看到原子級別結構;其次為認知限制,當時科學界還沒有「二維材料」概念;第三,這些石墨烯只是作為副產品微量存在,非主要成分且混雜在其他碳結構中。
這項研究說明,許多先進材料可能早存於舊技術,只是還在等待能識別它們用處的伯樂。新論文發表在《ACS Nano》期刊。
(首圖來源:pixabay)






