Experiment med grafitoxidation avslöjar ny typ av oscillerande kemisk reaktion
En reaktion som förbryllat forskare i 50 år har nu fått sin förklaring av forskare vid Umeå universitet. Snabba strukturella ögonblicksbilder fångade hur grafit omvandlas till grafitoxid under elektrokemisk oxidation, och avslöjar mellanliggande strukturer som uppträder och försvinner över tid. Forskarna beskriver detta som en ny typ av oscillerande reaktion.
Oscillerande kemiska reaktioner är både fascinerande att bevittna och viktiga för att förstå hur komplexa system fungerar, såväl inom kemin som i naturen. Ett klassiskt visuellt exempel på sådana reaktioner är en lösning som ändrar färg fram och tillbaka, växlar mellan olika tillstånd och producerar en slutprodukt i varje cykel.
Forskare i Umeå publicerade nyligen en studie i den vetenskapliga tidskriften Angewandte Chemie där de presenterar en ny och annorlunda typ av oscillerande reaktion under elektrokemisk oxidation av grafit.
– Det har varit känt i 50 år att vissa spänningsoscillationer uppstår spontant när en laddning appliceras på en grafitelektrod nedsänkt i svavelsyralösning. Slutprodukten av denna reaktion är grafitoxid, ett material som består av lager av grafenoxid. Men vad som händer med materialets struktur under varje oscillationscykel har förblivit ett fullständigt mysterium, säger Alexandr Talyzin, professor vid Institutionen för fysik vid Umeå universitet.
Forskarna överraskades
Tack vare nya synkrotronmetoder kan forskare registrera röntgendiffraktioner på bara några sekunder, vilket ger ögonblicksbilder av materialets strukturförändringar under oxidationen. Överraskande nog avslöjade experimenten en mellanliggande fas med en specifik struktur som uppträder i en del av cykeln, försvinner i nästa steg och sedan återkommer, så att cykeln upprepas.
– Snart insåg vi att vi hade observerat en – så vitt vi vet – ny typ av oscillerande reaktion. Vad som började som en detaljstudie av en specifik kemisk reaktion visade sig plötsligt vara mycket mer intressant ur ett grundläggande kemiskt perspektiv. Bartosz Gurzeda, som försteförfattare till studien, spelade också in en vacker video som visar periodiska förändringar i provets utseende med några minuters mellanrum, säger Alexandr Talyzin.
Gav Nobelpris
Oscillerande reaktioner sker i alla levande varelser men ansågs tidigare omöjliga inom oorganisk kemi. Denna upptäckt utvidgar vår kunskap om kemisk kinetik och reaktionsmekanismer och kan leda till utveckling av nya teorier och modeller inom kemin.
Den första teorin som förklarade oscillerande reaktioner gav Ilya Prigogine Nobelpriset 1977 och blev en grundläggande del av icke-jämviktstermodynamiken, som visar hur ordning kan uppstå ur kaos.
– Vi hoppas att nya teorier kommer att utvecklas för att förklara denna nya typ av oscillerande reaktion, och att det kan leda till upptäckten av fler liknande exempel, säger Alexandr Talyzin.
Om oscillation
När en kemisk reaktion skiftar fram och tillbaka mellan olika tillstånd kallas det oscillation.
Om den vetenskapliga artikeln
Bartosz Gurzęda, Paweł Jeżowski, Nicolas Boulanger, Alexandr V. Talyzin. Oscillating Structural Transformations in the Electrochemical Synthesis of Graphene Oxide from Graphite. Angewandte Chemie (2024). DOI: 10.1002/anie.202411673
För mer information kontakta gärna:
Professor Alexandr Talyzin, Institutionen för fysik, Umeå universitet
Telefon: 090-786 63 20
E-post: alexandr.talyzin@umu.se
