科学家们解决了一个50年的难题:石墨的振荡舞蹈

于默奥大学的一项突破性研究揭示了石墨向氧化石墨转化过程中的一种新的振荡反应，为未来的化学研究提供了潜在的启示。

于默奥大学的研究人员解释了一个困扰科学家 50 年的反应。快速结构快照捕捉到了石墨在电化学氧化过程中转化为氧化石墨的过程，发现了循环出现和消失的中间结构。研究人员认为，这是一种全新的振荡反应（oscillating reaction）。

了解振荡化学反应

振荡的化学反应令人着迷，并为了解化学和自然界中复杂系统的工作原理提供了有价值的见解。这类反应的经典视觉例子展示了溶液的颜色是如何来回变化的，在不同的状态下循环，并在每个循环后产生最终产物。

图中显示了石墨（左）是如何通过电压振荡转变为 “原始 “氧化石墨的。资料来源：Alexandr Talyzin

石墨氧化的新发现

在科学杂志《Angewandte Chemie》上发表的一项新研究中，于默奥大学的研究人员报告了石墨电化学氧化过程中的一种新型振荡反应。

于默奥大学物理系教授亚历山大-塔利津（Alexandr Talyzin）解释说：”人们 50 年前就已经知道，当浸入硫酸溶液的石墨电极上充电时，会自发产生一些电压振荡。这种反应的最终产物是氧化石墨，一种由多层氧化石墨烯组成的材料。然而，在每个振荡周期的反应过程中，这种材料的结构会发生什么变化，一直是个完全的谜。”

视频展示了一种原本是石墨的材料的表面，以及它的外观在波浪中的变化。镜头上方显示了电压的变化。电压高时，材料会发生许多快速变化，而电压低时几乎没有变化。资料来源：Bartosz Gurzęda

先进的同步加速器方法揭示了新的洞察力

由于采用了新的同步加速器方法，研究人员可以在几秒钟内记录 X 射线衍射扫描，提供材料在氧化过程中结构变化的快照。令人惊讶的是，实验发现了一种具有特定结构的中间相，它在循环的某一阶段出现，在下一阶段消失，然后再次出现，周而复始。

“很快，我们意识到，我们观察到了一种新的振荡反应类型–就我们所知，这是一种新的振荡反应类型。从基础化学的角度来看，原本只是对一个特定化学反应的详细研究突然变得更加有趣了。这项研究的第一作者 Bartosz Gurzeda 还录制了一段精美的视频，显示样品外观每隔几分钟就会发生周期性变化。

Alexandr Talyzin，于默奥大学物理系教授。图片来源：Mattias Pettersson

对化学动力学的影响

振荡反应发生在所有生物体内，但在无机化学中却一度被认为是不可能发生的。这一发现拓展了我们对化学动力学和反应机理的认识，并可能促进化学新理论和模型的发展。

未来理论进步的潜力

第一个解释振荡反应的理论让伊利亚-普里戈金（Ilya Prigogine）获得了 1977 年的诺贝尔奖，并成为非平衡热力学的基本组成部分，展示了秩序如何从混沌中产生。

塔利津说：我们希望能开发出新的理论来解释这种新型振荡反应，这可能会导致发现新的类似例子。

参考文献

“Oscillating Structural Transformations in the Electrochemical Synthesis of Graphene Oxide from Graphite” by Bartosz Gurzęda, Paweł Jeżowski, Nicolas Boulanger and Alexandr V. Talyzin, 22 August 2024, Angewandte Chemie International Edition.

DOI: 10.1002/anie.202411673

参与此项研究的有来自波兰波兹南工业大学化学技术学院（Poznan University of Technology, Faculty of Chemical Technology, Poznań, Poland）和瑞典于默奥大学（Umeå University, Umeå, Sweden）的研究人员。