فهرست مطالب
دانشمندان برای اولین بار با استفاده از لیزر فوق سریع، اتم اکسیژن حلشده در آب را مشاهده و رفتار غیرمنتظره آن را ثبت کردند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این تصویر، رفتارهای پیشتر ناشناخته این گونه بسیار واکنشپذیر را آشکار میکند. این دستاورد، شواهد بصری از نحوه حرکت و دوام اتم اکسیژن در محیطهای آبی ارائه میدهد؛ حوزهای که اندازهگیری آن پیش از این تقریبا غیرممکن قلمداد میشد.
اتم اکسیژن به دلیل ویژگیهای اکسیدکنندگی قوی خود اهمیت فراوانی دارد و بهشکل گستردهای در پزشکی، شیمی صنعتی و تحقیقات بنیادی استفاده میشود. با وجود این، رفتار آن در مایعات تاکنون به خوبی درک نشده بود، چرا که شناسایی اتمهای اکسیژن بدون ایجاد اختلال در شرایط مورد مطالعه دشوار است. تا پیش از این، محققان ابزار قابل اعتمادی برای اندازهگیری مستقیم غلظت اکسیژن اتمی در آب بدون تخریب نمونه یا تحریک واکنشهای شیمیایی ناخواسته در اختیار نداشتند.
حتما بخوانید: دانشمندان با حذف اکسیژن، هفت سرامیک فلزی جدید ساختند
کلید حل مسئله استفاده از لیزر بود
سالها تلاش برای سنجش اتم اکسیژن در آب به کمک پروبهای شیمیایی با شکست مواجه شد، چرا که واکنشپذیری شدید اتم اکسیژن، پروبها را تخریب یا آنها را به سایر گونههای واکنشپذیر اکسیژن تبدیل میکرد. پژوهشگران به روشی نیاز داشتند که بتواند اتم اکسیژن را به صورت انتخابی آشکار کنند و در عین حال محیط آبی را دستنخورده نگه دارد. بر اساس گزارش Phys.org، تیم تحقیقاتی از تکنیک فلورسانس القاشده با لیزر دوفوتونی (TALIF) استفاده کرد؛ روشی که پیشتر برای اندازهگیری گونههای اتمی در فاز گازی به کار میرفت. در این روش اتم با دو فوتون به طور همزمان تحریک میشود و به سطح انرژی بالاتر میرود؛ هنگام بازگشت اتم به حالت پایه، نور فلورسانس ساطع میشود که حضور و غلظت اتم را آشکار میکند.
بیشتر بخوانید: فناوری جدید چین برای تولید سوخت و اکسیژن از خاک ماه
برای مطالعه بیشتر: کشف «اکسیژن تاریک» در عمق ۴ هزار متری زیر دریا
تلاشهای پیشین برای بهکارگیری این تکنیک در مایعات با شکست مواجه شد، چرا که مولکولهای آب اتمهای اکسیژن تحریکشده را به سرعت خاموش و فلورسانس آنها را سرکوب میکردند. مطالعه جدید منتشرشده در Nature Communications، این محدودیت را با بهرهگیری از لیزر فوق سریع فمتوثانیه برطرف کرد؛ پالسهای بسیار کوتاه، انرژی کافی برای تحریک اتمها فراهم میکنند تا قبل از خاموش شدن توسط مولکولهای آب، فلورسانس تولید شود. محققان لیزر فمتوثانیهای با طول موج ۲۲۵.۷ نانومتر را به آب غنیشده با اتم اکسیژن تولیدشده توسط جت پلاسما تاباندند. اتمهای تحریکشده هنگام بازگشت به حالت پایه، فلورسانسی با طول موج ۸۴۴.۶ نانومتر ساطع کردند، که توسط سامانه دوربین حساس ثبت شد. با مقایسه سیگنال بهدستآمده با مرجع کالیبرهشده زنون و استفاده از شبیهسازیها برای ارزیابی سرعت برخورد مولکولهای آب که فلورسانس را خاموش میکند، تیم پژوهشی غلظت اتم اکسیژن در نزدیکی سطح آب را محاسبه کرد؛ نتایج نشان داد تراکم اکسیژن حلشده در حدود ۱۰¹⁶ سانتیمتر مکعب است.
پایداری غیرمنتظره اتم اکسیژن در محیط آبی
پژوهشگران فراتر از توانایی شناسایی اتم اکسیژن، رفتارهایی را مشاهده کردند که بسیاری از فرضیات قدیمی را به چالش میکشد. اتمهای اکسیژن برای دهها میکروثانیه پایدار باقی ماندند (مدتی بسیار طولانیتر از آنچه پیشبینی میشد) و چند صد میکرومتر در آب حرکت کردند. مدلهای شیمیایی موجود پیشبینی میکردند که اتم اکسیژن بلافاصله پس از ورود به محیط مایع واکنش دهد، بنابراین چنین تحرک و طول عمر طولانی غیرقابل انتظار بود. نتایج این مطالعه نشان میدهد که شیمی اتم اکسیژن در آب پیچیدهتر از آن است که تاکنون تصور میشد و این موضوع میتواند پیامدهایی جدی برای فناوریهایی داشته باشد که به واکنشهای کنترلشده اکسیداتیو وابسته هستند.
با توجه به اینکه بسیاری از کاربردهای نوظهور شامل تعامل اکسیژن با مایعات هستند، درک دقیق نحوه حرکت و بقای آن اهمیت اساسی دارد. نویسندگان تاکید کردند که طول عمر و مسافتهای غیرمنتظره مشاهدهشده در این آزمایشها ضرورت بازنگری در مدلهای کنونی رفتار اکسیژن در سیستمهای آبی را نشان میدهد. اکنون تکنیک fs-TALIF امکان مطالعه مستقیم این فرایندها را فراهم میکند و سطح دقتی ارائه میدهد که روشهای پیشین قادر به ارائه آن نبودند. پژوهشگران با بهرهگیری از این ابزار نوین، قادر خواهند بود شیمی منحصربهفرد اکسیژن اتمی را با وضوح بسیار بیشتری بررسی کنند و راه را برای کاربردهای علمی و فناوری آینده هموار سازند.
