Ученые впервые с помощью ультракоротких лазерных импульсов получили прямые изображения отдельных атомов кислорода в жидкости, что изменило взгляды на поведение свободных атомов.
Применяя передовую технологию фемтосекундной двухфотонной лазерно-индуцированной люминесценции (fs-TALIF), исследователи впервые смогли получить прямые изображения отдельных атомов кислорода, находящихся в растворе воды. Эта задача ранее считалась почти невозможной из-за очень низкой концентрации таких частиц и их мгновенной реактивности, а также сложности измерений без разрушения исследуемой среды. Результаты экспериментов опубликованы в журнале Nature Communications.
Метод основывается на том, что атомы кислорода поглощают два фотона лазерного излучения одновременно, переходя в возбужденное состояние, а затем возвращаясь в основное состояние, излучая свет — люминесценцию. Этот излученный сигнал фиксируется детектором, что позволяет определить наличие и количество атомов. Традиционные химические зонды часто либо разрушались при взаимодействии с активным кислородом, либо сами влияли на жидкость, что искажало результаты. Применение ультракороткого лазерного импульса позволяло преодолеть эти ограничения.
Что обнаружили ученые
Исследователи направили тщательно настроенный лазерный луч на поверхность воды, насыщенной атомарным кислородом при помощи плазменного источника. Когда возбужденные атомы кислорода возвращались в основное состояние, они испускали свет с определенной длиной волны, который фиксировался высокочувствительными камерами. Это позволило не только запечатлеть отдельные атомы, но и оценить их концентрацию вблизи поверхности — около 10¹⁶ атомов на кубический сантиметр.
Не менее важным стало открытие о поведении атомов. Они сохраняли устойчивость в воде значительно дольше и могли перемещаться на сотни микрометров. Такое поведение значительно превышает предыдущие теоретические прогнозы и требует пересмотра моделей движения и реакционной активности растворенных атомов кислорода.
Значение открытия
Прямое наблюдение за индивидуальными атомами в жидкости предоставляет ученым новый инструмент для изучения химических реакций на базовом уровне. Атомарный кислород является крайне агрессивным окислителем, и его свойства имеют критическое значение в биохимии, атмосферной химии, медицине и технологиях очистки и дезинфекции. Новая методология может значительно поспособствовать пониманию механизмов реакций с участием атомарного кислорода, а также в разработке инновационных приложений, где его поведение в жидких средах влияет на эффективность процессов.
В результате исследования авторы подчеркивают необходимость пересмотра существующих представлений о растворенных атомах и отмечают, что методы ультрабыстрой лазерной спектроскопии становятся ключевыми в современных научных исследованиях. В частности, ученые отметили, что такие технологии открывают доступ к изучению реакций и динамики частиц на временных шкалах, которые ранее были недоступны традиционным инструментам.
< Фото: hi-tech.mail.ru