Впервые в мире учёные зафиксировали атомарный кислород в воде с помощью ультрабыстрого лазера
Американские учёные впервые в истории получили изображение отдельных атомов кислорода, растворённых в воде, используя передовой лазерный метод. Этот прорыв позволил выявить ранее неизвестные особенности поведения высокореактивного атомарного кислорода в водной среде, что долгое время считалось почти невозможным для измерения.
Атомарный кислород известен своими мощными окислительными свойствами и играет ключевую роль в медицине, промышленной химии и фундаментальных исследованиях. Однако его поведение в жидкостях оставалось малоизученным из-за невозможности детектировать атомы кислорода, не нарушая условия эксперимента. До сих пор у исследователей не было инструмента для прямого измерения концентрации атомарного кислорода в воде без его деградации или провоцирования нежелательных химических реакций.
Многолетние попытки количественно определить атомарный кислород в воде с помощью химических зондов не увенчались успехом, поскольку высокая реакционная способность атомов кислорода либо разрушала зонды, либо превращала их в другие активные формы кислорода. В новом исследовании, в Nature Communications, учёные применили метод двухфотонной лазерно-индуцированной флуоресценции, адаптировав его для жидкой среды с помощью фемтосекундного лазера. Сверхкороткие импульсы этого лазера доставляли достаточно энергии, чтобы возбудить атомы и позволить им испускать флуоресцентный сигнал до того, как окружающие молекулы воды могли их «погасить».
Исследователи направили точно настроенный лазер с длиной волны 225,7 нм в воду, обогащённую атомарным кислородом, который генерировался плазменной струёй. Когда возбуждённые атомы кислорода возвращались в основное состояние, они испускали флуоресценцию на длине волны 844,6 нм, которую фиксировала чувствительная камера. Сравнив полученный сигнал с калибровочным ксеноновым эталоном и использовав моделирование для оценки скорости гашения флуоресценции при столкновениях с молекулами воды, команда определила концентрацию атомарного кислорода у поверхности воды. Измерения показали плотность растворённого атомарного кислорода порядка 10¹⁶ см⁻³.
Помимо самого факта детектирования, учёные наблюдали неожиданное поведение: атомы кислорода оставались стабильными в течение десятков микросекунд, что значительно дольше предсказанного времени, и проникали в толщу воды на несколько сотен микрометров. Существующие химические модели предполагали, что атомарный кислород должен реагировать практически мгновенно при попадании в жидкость, что делало такую подвижность и долгожительство маловероятными.
Полученные результаты свидетельствуют, что химия атомарного кислорода в воде сложнее, чем считалось ранее, что может иметь значение для технологий, основанных на управляемых окислительных реакциях. Неожиданно долгое время жизни и расстояние перемещения, наблюдаемые в экспериментах, указывают на необходимость пересмотра существующих моделей поведения кислорода в водных системах. Новый метод теперь предоставляет возможность непосредственно исследовать эти процессы с высокой точностью, недоступной ранее. Это открывает путь для более детального изучения уникальной химии атомарного кислорода, что может направить будущие приложения в различных научных и практических областях.