Szybkie strukturalne migawki uchwyciły, jak grafit przekształca się w tlenek grafitu podczas elektrochemicznego utleniania, ujawniając pośrednie struktury, które pojawiają się i znikają z czasem. Naukowcy z Umeå University opisują to jako nowy typ reakcji oscylacyjnej.
Czytaj też: Chemia do poprawki. Jon “stosowany” od lat, tak naprawdę nie istnieje
Prof. Alexandr Talyzin z Umeå University mówi:
Od 50 lat wiadomo, że pewne oscylacje napięcia spontanicznie występują, gdy ładunek jest przyłożony do elektrody grafitowej zanurzonej w roztworze kwasu siarkowego. Produktem końcowym tej reakcji jest tlenek grafitu, materiał składający się z warstw tlenku grafenu. Jednak to, co dzieje się ze strukturą materiału podczas reakcji w każdym cyklu oscylacji, pozostawało całkowitą tajemnicą.
Nowe reakcje oscylacyjne mogą odmienić współczesną chemię
Reakcje oscylacyjne to specyficzny rodzaj reakcji chemicznych, w których stężenie reagentów i produktów zmienia się w sposób cykliczny, zamiast osiągać stan równowagi. W klasycznych reakcjach chemicznych dążymy do równowagi, gdzie proporcje produktów i reagentów stabilizują się. W reakcjach oscylacyjnych jednak ten stan jest zaburzony, a układ przechodzi przez kolejne etapy, gdzie stężenie poszczególnych substancji nieustannie wzrasta i maleje. Najbardziej znanym przykładem takich reakcji są: reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego i reakcja Lotki-Volterry.
Czytaj też: Przełomowy reaktor! Może produkować cenny związek chemiczny ze ścieków
Reakcje oscylacyjne są fascynujące do obserwowania i ważne dla zrozumienia, jak działają złożone systemy, zarówno w chemii, jak i w naturze. Klasyczne wizualne przykłady takich reakcji pokazują, jak kolory roztworu zmieniają się tam i z powrotem, przechodząc przez różne stany i wytwarzając produkt końcowy po każdym cyklu.
W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Angewandte Chemie naukowcy z Umeå poinformowali o nowym typie reakcji oscylacyjnej podczas elektrochemicznego utleniania grafitu. W skład zespołu badawczego wchodzili także Polacy: dr Bartosz Gurzęda i dr Paweł Jeżowski.
Dzięki nowym metodom synchrotronowym naukowcy mogą rejestrować skany dyfrakcji rentgenowskiej w ciągu kilku sekund, zapewniając migawki zmian struktury materiału podczas utleniania. Ku zaskoczeniu wszystkich eksperymenty ujawniły fazę pośrednią o określonej strukturze, która pojawia się w jednej części cyklu, znika w kolejnym etapie, a następnie pojawia się ponownie – i tak powtarzalnie.
Prof. Alexandr Talyzin dodaje:
Szybko zdaliśmy sobie sprawę, że zaobserwowaliśmy nowy – według naszej najlepszej wiedzy – typ reakcji oscylacyjnej. To, co zaczęło się jako szczegółowe badanie konkretnej reakcji chemicznej, nagle okazało się o wiele bardziej interesujące z punktu widzenia chemii fundamentalnej. Bartosz Gurzęda, pierwszy autor badania, nagrał również piękny film pokazujący okresowe zmiany w wyglądzie próbki co kilka minut.
Warto dodać, że reakcje oscylacyjne zachodzą wewnątrz wszystkich żywych organizmów, ale kiedyś uważano je za niemożliwe w chemii nieorganicznej. Pierwsza teoria wyjaśniająca reakcje oscylacyjne przyniosła Ilyi Prigogine’owi Nagrodę Nobla w 1977 r. i stała się fundamentem termodynamiki nierównowagowej.