Ve svém novém výzkumu dokázal tým vědců jako první zachytit obraz atomu kyslíku ve vodě, a to díky fluorescenci emitované excitovanými atomy kyslíku dříve, než byly neutralizovány okolní vodou.
Ačkoli je kyslík jedním z nejdůležitějších prvků pro život, atomární kyslík stále skrývá překvapující množství tajemství, protože vědci dosud plně nerozumí jeho chování v aquatických prostředích.
Toto je zásadní bod: oxidační vlastnosti atomárního kyslíku jsou extrémně užitečné v medicíně a průmyslu, proto je pochopení jeho reakce ve vodě klíčové.
Odpovídání na tuto dosud nezodpovězenou otázku bylo prakticky nemožné kvůli technologickým omezením.
Předchozí pokusy o měření atomárního kyslíku ve vodě selhaly, protože kapalina rychle neutralizovala jakýkoliv excitovaný atom dříve, než bylo možné jej zaznamenat.
Ale nyní tým vědců z North Carolina State University, Princeton a Texas A&M dosáhl významného pokroku využitím femtosekundové laserové techniky (10⁻¹⁵ sekundy), která dokáže excitovat atomy kyslíku a zachytit vyzařovanou fluorescenci dříve, než je tato fluorescenční emise zhasnuta.
Výsledky této studie byly prezentovány v článku publikovaném v časopise Nature Communications.
„Měření ukazují, že atomy kyslíku přetrvávají v vodě během desítek mikrosekund, pronikajícími stovkami mikrometrů do kapaliny,“ napsali autoři studie.
„Tato pozorovaná dlouhověkost má významné důsledky, což naznačuje potřebu přehodnocení existujících modelů reaktivity a transportu atomárního kyslíku v roztoku,“ dodali vědci.
Aby dosáhli tohoto pokroku, využili výzkumníci techniku známou jako fluorescenční spektrum indukované absorpcí dvou fotonů, zkráceně TALIF; a na rozdíl od mnoha vědeckých procesů je tento název skutečně popisný.
Vědci měří jednotlivé atomy kyslíku tím, že je nutí absorbovat dva fotony současně, což je uvádí do excitovaného stavu. Při návratu do svého základního stavu uvolňují přebytečnou energii ve formě fluorescenčního záření. Měřením této nadbytečné energie – neboli světla – je možné určit koncentraci specifických forem prvku.
Mohlo by se to zdát jednoduché, ale problém spočívá v tom, že tyto excitované stavy nemají dlouhé trvání, protože kapalina je rychle zhasne.
V tomto případě však použití femtosekundového laseru excitovalo atomy tak rychle, že měl výzkumný tým značný časový rámec pro jejich zachycení dříve, než byly neutralizovány.
Podle Phys.org vědci poté porovnali výsledky fluorescenčního měření s kalibrovaným signálem hustoty xenonu, protože, jak vysvětlují autoři studie, ten má prakticky identickou schéma excitace a fluorescenční emise při dvou fotonech.
Tato data byla následně vložena do simulací k odhadu frekvence, s jakou excitované atomy kolidují s molekulami vody. Studie dospěla k závěru, že odhadovaný počet atomů je 10¹⁶ cm⁻³ v blízkosti povrchu vody.
Jedním z procesů, který tato konfigurace usiluje pochopit, je otázka účinného větvení, tedy frakce excitovaných atomů, které vyzařují každé jeden foton.
Jedním z omezení studie je implicitní předpoklad, že jakákoliv kolize mezi excitovanými atomy a vodou vždy vede k de-excitaci, ačkoli je možné, že k těmto kolizím dochází bez zhasnutí atomu.
Autoři tedy zdůrazňují, že výše uvedené hodnoty hustoty kyslíku představují v nejlepším případě maximální odhad a nikoli přesné číslo.
Jak již bylo zmíněno, studie rovněž zjistila, že kyslík může ve skutečnosti přetrvávat během desítek mikrosekund a projít stovkami mikrometrů.
Ačkoli je tato vzdálenost pro nás neuvěřitelně krátká, je významně větší než to, co vědci očekávali, což naznačuje, že budoucí studie budou muset hlouběji prozkoumat tento fenomén a existující modely o chování kyslíku ve vodě se budou muset aktualizovat.
