Forskare löser mysteriet med högt reaktivt syre
Forskare har löst ett årtionden gammalt pussel inom kemi genom att förklara hur syre blir högt reaktivt under vissa förhållanden. Genombrottet, som beskrivs i en nylig studie, avslöjar en ny mekanism som involverar reaktioner med atomärt syre. Denna upptäckt kan omforma förståelsen av atmosfäriska processer och förbränning.
I över 50 år har kemister varit förbryllade av det högt reaktiva syrets beteende, särskilt i formen som kallas singulärt syre, som spelar en avgörande roll i reaktioner från fotosyntes till föroreningar. Ett team ledd av David Osborn vid Sandia National Laboratories i USA har äntligen knäckt nöten genom avancerade experimentella tekniker.
Studien, publicerad i tidskriften Science den 10 oktober 2024, fokuserade på reaktionen mellan syreatomer och molekylärt syre. Med en metod kallad velocity map imaging observerade forskarna de flyktiga mellanprodukterna i reaktionen O + O2 → O3, men med en twist: de identifierade en väg som leder till bildandet av högt reaktiva triplet-tillståndsprodukter av syre.
"Denna reaktion har varit en svart låda så länge", sa Osborn i en intervju med New Scientist. "Vi ser nu exakt hur energin fördelas, vilket förklarar varför syre plötsligt kan bli så aggressivt i att bryta bindningar."
Bakgrunden till detta pussel går tillbaka till 1970-talet, när tidiga experiment visade inkonsekvenser i syrets reaktivitetsgrader under olika tryck och temperaturer. Tidigare modeller antog enkel energioverföring, men de misslyckades med att ta hänsyn till kvanteffekter som tillåter syre att nå förbjudna elektroniska tillstånd.
Denna nya insikt bekräftar detaljer från flera beräknings-simuleringar gjorda under 2010-talet, och löser diskrepanser där labbdata kolliderade med teorin—till exempel antydde tidigare rapporter reaktionshastigheter 10 gånger högre än förutsagt, medan detta arbete alignar dem exakt.
Implikationerna sträcker sig bortom ren kemi. I atmosfären kan denna mekanism påverka ozonnedbrytning och bildandet av smog, vilket påverkar klimatmodeller. I industrin kan bättre förutsägelser av syrets reaktivitet förbättra motordesigner och minska utsläpp från förbränningsprocesser.
Forskningen genomfördes med toppmoderna faciliteter vid Sandias Combustion Research Facility, vilket belyser nationala labbs roll i grundläggande vetenskap. Medan teamet betonar behovet av ytterligare validering i komplexa miljöer, löser detta ett kärnproblem som undvikit forskare i generationer.