Zanim nano było nano, czyli co odkryto w żarówce Edisona i nie tylko

W roku 1879 Thomas Alva Edison opatentował żarówkę wykorzystującą włókno ze zwęglonego japońskiego bambusa. Podłączano ją pod napięcie 110 V, a włókno żarzyło się, emitując światło. Po jego przepaleniu żarówkę trzeba było wymienić. W przypadku Edisona – nawet po rekordowych 1,2 tys. godzin. Tyle z oficjalnej historii. Ale czy to możliwe, że tak bystry wynalazca jak Edison nie zauważył, że przypadkiem wytworzył w swoich żarówkach zupełnie nowe materiały?

Choć nanomateriały kojarzą się z fantastyką naukową, powstają często w podstawowych reakcjach chemicznych lub fizycznych. Dlatego nie powinno dziwić, że ludzkość nauczyła się je wytwarzać nie do końca świadomie. Podobnie było w medycynie. Ludzie dostrzegali, że wywary z niektórych roślin leczą lub trują, ale potrzeba było wiedzy i technologii, aby tę wiedzę opisać i usystematyzować, tworząc biochemię. W przypadku nanomateriałów stało się to dopiero w XX w., dzięki rozwojowi spektrometrów rentgenowskich i mikroskopów elektronowych. Dzięki nim odkrywa się dziś takie materiały tam, gdzie nikt się ich nie spodziewał. Choćby w laboratorium Edisona.

Badacze z Rice University w USA odtworzyli jego żarówkę na podstawie zgłoszenia patentowego. Włączyli ją na krótki czas, po czym wyjęli włókno węglowe i odkryli w nim nanostruktury. I to nie byle jakie, bo grafenopodobne.

Materiał ten wykazuje fantastyczne właściwości mechaniczne i elektryczne, lecz niestety jest też niestabilny i trudny do wyprodukowania. Jedną z metod – i na nią zwracają uwagę autorzy publikacji – jest flash Joule heating, czyli błyskawiczne ogrzewanie materiału węglowego powyżej 2 tys. st. C. Badacze wykazali, że przy napięciu 110 V wystarczy 20 s, aby włókno osiągnęło taką właśnie temperaturę. Istotną cechą grafenu jest jego niska rezystancja. I faktycznie – okazało się, że po 20 s pracy – kiedy struktura materiału przeszła w bardziej uporządkowaną niż pierwotna formę – opór elektryczny włókna nagle spadł o 35 proc.

Czy to znaczy, że teraz do listy wynalazków Edisona należy dopisać jeszcze jeden? Raczej nie. Eksperyment pokazał jednak, że nawet proste zaplecze techniczne wystarczy do uzyskania grafenu i może inspirować do dalszych badań nad jego wytwarzaniem. Poza tym takie ciekawostki rzucają nowe światło na niektóre artefakty z przeszłości. Nie jest to oczywiście jedyny przykład.

W British Museum przechowywany jest kielich Likurga – rzymski puchar pochodzący prawdopodobnie z IV w. n.e. Oświetlony od przodu, mieni się na czerwono, a od tyłu – na zielono. Starożytni artyści uzyskali ten efekt dzięki połączeniu szkła z drobinkami złota i srebra, prawdopodobnie zgniatając je razem – choć szczegóły techniki pozostają nieznane. Dopiero współczesne badania mikroskopowe pozwoliły odkryć, że powstały w ten sposób nanocząstki metali o średnicy 50 nm.

Inny przykład: stal damasceńska. Jej wytrzymałość w połączeniu z nadzwyczajną giętkością przeszła do legendy, a receptura jej wytwarzania została zapomniana w XVIII w. Dopiero 300 lat później naukowcy z Technische Universität Dresden zasugerowali obecność w stali nanodrutów cementytu oraz nanorurek węglowych. Pierwszy miałby nadawać ostrzu twardość, ale jednocześnie czynić je kruchym. Drugie – plastyczność, rekompensując kruchość. Ponownie: nie ma pewności, jak średniowieczni kowale uzyskali ten efekt. Wiadomo jednak, że stosowali bogatą w domieszki metali rudę wootz. Podczas hartowania węglem, domieszki te mogły służyć jako katalizatory w wytwarzaniu nanostruktur. W XVIII w. rudy wootz zostały wyczerpane i pamięć o stali damasceńskiej przepadła.

Dawne rzemiosło być może kryje przed nami jeszcze więcej sekretów. Optymistyczna refleksja brzmi: skoro ludzie wytwarzali piękne szkła i wytrzymałą stal, nie wiedząc nawet, że używają przy tym nanomateriałów, to jakie cuda stworzymy teraz, kiedy już korzystamy z nich intencjonalnie i świadomie.