Przełomowe badanie przeprowadzone na Uniwersytecie w Umeå ujawnia nową reakcję oscylacyjną podczas transformacji grafitu w tlenek grafitu, oferując potencjalny wgląd w przyszłe badania chemiczne.
Naukowcy z Uniwersytetu w Umeå wyjaśnili reakcję, która intrygowała naukowców przez 50 lat. Szybkie migawki strukturalne uchwyciły sposób, w jaki grafit przekształca się w tlenek grafitu podczas utleniania elektrochemicznego, odkrywając struktury pośrednie, które cyklicznie pojawiają się i znikają. Według naukowców jest to zupełnie nowy rodzaj reakcji oscylacyjnej.
Zrozumienie oscylacyjnych reakcji chemicznych
Oscylujące reakcje chemiczne są fascynujące i dostarczają cennych informacji na temat działania złożonych układów, zarówno w chemii, jak i w przyrodzie. Klasyczne wizualne przykłady takich reakcji pokazują, jak kolory roztworu zmieniają się tam i z powrotem, przechodząc przez różne stany i tworząc produkt końcowy po każdym cyklu.
Nowe odkrycia dotyczące utleniania grafitu
W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie naukowym Angewandte ChemieBadacze z Umeå zgłosili nowy typ reakcji oscylacyjnej podczas elektrochemicznego utleniania grafitu.
Alexandr Talyzin, profesor na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Umeå, wyjaśnia: „Od 50 lat wiadomo, że pewne oscylacje napięcia pojawiają się samoistnie, gdy ładunek zostanie przyłożony do elektrody grafitowej zanurzonej w roztworze siarki. kwas rozwiązanie. Końcowym produktem tej reakcji jest tlenek grafitu, materiał składający się z warstw grafen tlenek. Jednak to, co dzieje się ze strukturą materiału podczas reakcji w każdym cyklu oscylacji, pozostawało całkowitą tajemnicą”.
Film pokazuje powierzchnię materiału, który pierwotnie był grafitem, oraz to, jak zmienia się jego wygląd pod wpływem fal. Nad nagraniem wyświetlane są zmiany napięcia. Gdy napięcie jest wysokie, w materiale zachodzi wiele szybkich zmian, podczas gdy przy niskim napięciu prawie nie zachodzą żadne zmiany. Źródło: Bartosz Gurzęda
Zaawansowane metody synchrotronowe ujawniają spostrzeżenia
Dzięki nowym metodom synchrotronowym badacze mogą rejestrować skany dyfrakcji promieni rentgenowskich w ciągu kilku sekund, dostarczając migawkowych zdjęć zmian struktury materiału podczas utleniania. Co zaskakujące, eksperymenty ujawniły fazę pośrednią o specyficznej strukturze, która pojawia się w jednej części cyklu, znika w kolejnym etapie, a następnie pojawia się ponownie, powtarzając cykl.
„Wkrótce zdaliśmy sobie sprawę, że zaobserwowaliśmy nowy – zgodnie z naszą najlepszą wiedzą – rodzaj reakcji oscylacyjnej. To, co zaczęło się jako szczegółowe badanie konkretnej reakcji chemicznej, nagle okazało się o wiele bardziej interesujące z punktu widzenia chemii podstawowej. Bartosz Gurzęda, pierwszy autor badań, również nagrał piękny film pokazujący okresowe zmiany wyglądu próbki co kilka minut” – mówi Talyzin.
Implikacje dla kinetyki chemicznej
Reakcje oscylacyjne zachodzą we wszystkich żywych istotach, ale kiedyś uważano je za niemożliwe w chemii nieorganicznej. Odkrycie to poszerza naszą wiedzę na temat kinetyki i mechanizmów reakcji chemicznych i może prowadzić do opracowania nowych teorii i modeli w chemii.
Potencjał przyszłych postępów teoretycznych
Pierwsza teoria wyjaśniająca reakcje oscylacyjne przyniosła Ilyi Prigogine’owi Nagrodę Nobla w 1977 roku i stała się fundamentalną częścią termodynamiki nierównowagowej, pokazując, jak porządek może wyłonić się z chaosu.
„Mamy nadzieję, że zostaną opracowane nowe teorie wyjaśniające ten nowy typ reakcji oscylacyjnej, co może doprowadzić do odkrycia nowych podobnych przykładów” – mówi Talyzin.
Odniesienie: „Oscilating Structural Transformations in the Electrochemical Synthesis of Graphene Oxide from Graphite” autorstwa Bartosza Gurzędy, Pawła Jeżowskiego, Nicolasa Boulangera i Alexandra V. Talyzina, 22 sierpnia 2024 r., Wydanie międzynarodowe Angewandte Chemie.
DOI: 10.1002/anie.202411673
