۱۵ دسامبر ۲۰۲۵، کایف شیخ -تصاویر لیزری با رنگ کاذب، غلظتهای اکسیژن اتمی شناسایی شده در آب را نشان میدهند.مایرز، ب.، دوگاریو، آ.، بیلر، ب. و همکاران.
دانشمندان اولین تصویر از اکسیژن اتمی منفرد محلول در آب را با استفاده از یک رویکرد لیزری پیشرفته ثبت کردهاند که رفتارهای ناشناختهی این گونهی بسیار واکنشپذیر را آشکار میکند.این موفقیت، شواهد بصری مستقیمی از نحوهی حرکت و بقای اکسیژن اتمی در محیطهای آبی ارائه میدهد. این حوزهای است که اندازهگیری آن مدتهاست تقریباً غیرممکن تلقی میشود.
اکسیژن اتمی به دلیل خواص اکسیداتیو قدرتمند خود شناخته شده است و در کاربردهای پزشکی، شیمی صنعتی و تحقیقات بنیادی نقش اساسی دارد. با این حال، رفتار آن در مایعات به خوبی درک نشده است، زیرا تشخیص اتمهای اکسیژن بدون ایجاد اختلال در شرایط مورد نیاز برای مطالعه آنها دشوار است.
تاکنون، محققان ابزاری نداشتند که بتواند غلظت اکسیژن اتمی را مستقیماً در آب بدون ایجاد تخریب یا ایجاد واکنشهای شیمیایی ناخواسته اندازهگیری کند.
سالها، تلاشها برای تعیین کمیت اکسیژن اتمی در آب به کاوشگرهای شیمیایی متکی بود. این روشها بارها شکست خوردند زیرا واکنشپذیری قوی اکسیژن اتمی یا کاوشگرها را از بین میبرد یا آنها را به سایر گونههای اکسیژن واکنشپذیر تبدیل میکرد. محققان به رویکردی نیاز داشتند که بتواند اکسیژن اتمی را به طور انتخابی تشخیص دهد و در عین حال محیط آب را دست نخورده باقی بگذارد.
طبق گزارش Phys.org، این تیم به فلورسانس القایی لیزری جذب دو فوتونی (TALIF) روی آوردند، تکنیکی که قبلاً برای اندازهگیری گونههای اتمی در گازها استفاده میشد. TALIF با تحریک همزمان یک اتم با دو فوتون کار میکند و در نتیجه آن را به حالت انرژی بالاتر میبرد. با بازگشت اتم به حالت پایه خود، نور ساطع میکند، یک سیگنال فلورسنت که وجود و غلظت آن را نشان میدهد.
با این حال، تلاشهای قبلی برای استفاده از TALIF در مایعات ناموفق بود زیرا آب به سرعت اتمهای اکسیژن برانگیخته را خاموش میکند و در نتیجه فلورسانس آنها را سرکوب میکند. مطالعه جدید منتشر شده در Nature Communications با استفاده از یک لیزر فوق سریع فمتوثانیه بر این مشکل غلبه کرد. این پالسهای بسیار کوتاه انرژی کافی برای تحریک اتمها و اجازه دادن به آنها برای فلورسانس قبل از اینکه مولکولهای آب اطراف بتوانند آنها را خاموش کنند، فراهم کردند.
محققان یک لیزر فمتوثانیه ۲۲۵.۷ نانومتری با تنظیم دقیق را به آب غنی شده با اکسیژن اتمی تولید شده توسط جت پلاسما هدایت کردند. با آرام شدن اتمهای اکسیژن برانگیخته، آنها فلورسانس را در ۸۴۴.۶ نانومتر ساطع کردند که توسط یک سیستم دوربین حساس ثبت شد.
با مقایسه سیگنال حاصل با یک مرجع زنون کالیبره شده و استفاده از شبیهسازیها برای ارزیابی سرعت فرونشانی فلورسانس توسط برخورد با مولکولهای آب، تیم غلظت اکسیژن اتمی را در نزدیکی سطح آب تعیین کرد. اندازهگیریهای آنها چگالی اکسیژن محلول را در حدود ۱۰¹⁶ سانتیمتر مکعب نشان داد.
محققان فراتر از تشخیص ساده اکسیژن اتمی، رفتاری را مشاهده کردند که فرضیات دیرینه را به چالش میکشد. اتمهای اکسیژن برای دهها میکروثانیه پایدار ماندند، که بسیار طولانیتر از پیشبینیها است و چند صد میکرومتر به داخل آب سفر کردند. مدلهای شیمیایی موجود نشان دادهاند که اکسیژن اتمی باید تقریباً بلافاصله پس از ورود به محیطهای مایع واکنش نشان دهد، که چنین تحرک و طول عمری را بعید میکند.
یافتههای این مطالعه نشان میدهد که شیمی اکسیژن اتمی در آب پیچیدهتر از آن چیزی است که قبلاً تصور میشد، و پیامدهای بالقوهای برای فناوریهایی دارد که به واکنشهای اکسیداتیو کنترلشده متکی هستند. از آنجا که بسیاری از کاربردهای نوظهور شامل تعامل اکسیژن اتمی با مایعات است، درک حرکت و بقای آن ضروری است.
نویسندگان خاطرنشان میکنند که طول عمرهای غیرمنتظره طولانی و مسافتهای سفر مشاهده شده در آزمایشها، نیاز به اصلاح مدلهای موجود رفتار اکسیژن در سیستمهای آبی را برجسته میکند. تکنیک fs-TALIF اکنون مسیری را برای بررسی مستقیم این فرآیندها فراهم میکند و سطحی از دقت را ارائه میدهد که روشهای قبلی نمیتوانستند به آن دست یابند.
با این ابزار جدید، محققان ممکن است بتوانند شیمی متمایز اکسیژن اتمی را با وضوح بسیار بیشتری بررسی کنند و به هدایت کاربردهای آینده در زمینههای علمی و فراتر از آن کمک کنند.
