Используя инновационную технику фемтосекундной двухфотонной лазерно-индуцированной люминесценции (fs-TALIF), исследователи впервые получили прямые изображения отдельных атомов кислорода, растворенных в воде. Эта задача ранее считалась практически неразрешимой из-за крайне низкой концентрации таких частиц и их молниеносной реактивности, а также сложности измерения без деструкции измеряемой среды. Результаты экспериментов опубликованы в журнале Nature Communications.
Метод основан на том, что атомы кислорода поглощают два фотона лазерного излучения сразу, после чего переходят в возбужденное состояние, а затем возвращаются обратно, излучая свет — люминесценцию. Именно этот излученный сигнал фиксируется детектором и позволяет определить присутствие и количество атомов. Традиционные химические зонды часто либо разрушались в присутствии агрессивного кислорода, либо сами взаимодействовали с жидкостью, искажая результаты. Использование ультракороткого лазерного импульса позволяло обойти эти ограничения.
Что обнаружили ученые
Специалисты направили точно настроенный лазерный луч на поверхность воды, обогащенной атомарным кислородом при помощи плазменного источника. Когда возбужденные атомы кислорода возвращались в свое основное состояние, они испускали свет с определенной длиной волны, которую фиксировали чувствительные камеры. Это дало возможность не только заснять отдельные атомы, но и оценить их концентрацию вблизи поверхности — порядка 10¹⁶ атомов на кубический сантиметр.
Не менее важным оказался результат о поведении атомов. Они сохраняли свою устойчивость в воде на гораздо более длительное время и могли перемещаться на сотни микрометров. Такое поведение намного превосходит прежние теоретические ожидания и требует пересмотра моделей движения и реакционной активности растворенных атомов кислорода.
Значение открытия
Прямое наблюдение за отдельными атомами в жидкости дает ученым новый инструмент для изучения химических реакций на фундаментальном уровне. Атомарный кислород — крайне агрессивный окислитель, и его свойства критически важны в биохимии, атмосферной химии, медицине и промышленных технологиях очистки и дезинфекции. Новая методика может существенно помочь в понимании механизмов реакций, включающих атомарный кислород, а также в разработке инновационных приложений, где его поведение в жидких средах влияет на эффективность идущих там процессов.
В результате исследования авторы отмечают необходимость пересмотра существующих представлений о растворенных атомах и подчеркивают, что методы ультрабыстрой лазерной спектроскопии становятся ключевыми в современных научных задачах. В частности, ученые подчеркнули, что такие технологии открывают доступ к изучению реакций и динамики частиц на временных шкалах, ранее недоступных традиционным инструментам.
Ранее мы рассказали, как фемтосекундный лазер отследил единичные электроны во время химической реакции.