Атомарный кислород впервые поймали в воде — лазер показал то, чего никто не ожидал

Впервые физикам удалось напрямую зафиксировать атомарный кислород — отдельные атомы, не связанные в молекулы, движущиеся сквозь жидкую воду. Это достижение позволяет по-новому взглянуть на химические процессы в жидкостях, облучаемых плазмой. Об этом сообщает EPFL News.

Атомы, живущие дольше, чем ожидали

Команда исследователей из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) под руководством постдокторанта Брейдена Майерса обнаружила, что отдельные атомы кислорода живут в воде гораздо дольше, чем предполагалось ранее.

Обычно такие частицы исчезают почти мгновенно, но здесь они сохранялись в течение десятков микросекунд — миллионных долей секунды. Для химии это целая вечность.

"Это наблюдаемое долголетие имеет значительные последствия, предполагая необходимость переоценки существующих моделей реактивности и переноса сольированного атомарного кислорода", — пишет Майерс.

Учёные использовали сверхбыстрый лазер, чтобы улавливать слабые вспышки света от растворённых в воде атомов кислорода. Эти атомы способны проникать на сотни микрометров под поверхность жидкости, что даёт им возможность участвовать в реакциях на большей глубине.

Почему это важно

Атомарный кислород — это один из самых активных окислителей, обладающий неспаренным электроном. Он является частью так называемых "активных форм кислорода" — семейства высокоэнергетических частиц, которые могут окислять органические соединения и разрушать микроорганизмы.

"В жидкостях контроль того, где и как долго он существует, может улучшить стерилизацию поверхности и новые формы плазменной воды для здравоохранения", — отмечает команда EPFL.

Исследования активных форм кислорода давно применяются в медицине и промышленности — от обеззараживания инструментов до разработки новых биосовместимых растворов. Однако до сих пор не удавалось увидеть сам атом в действии.

Как учёные поймали атом кислорода

Чтобы создать поток атомов, учёные использовали плазму — газ, где атомы частично ионизированы. Микроплазменный разряд генерировал смесь гелия и кислорода, которая проходила через небольшой резервуар с деионизированной водой.

Главная трудность заключалась в том, что вода "гасит" возбужденные состояния атомов, и большинство известных зондов просто не выдерживают таких условий.

Решением стала фемтосекундная лазерная система — устройство, испускающее импульсы света длительностью миллионную миллиардной доли секунды. Этот свет возбуждал атомы кислорода, и они испускали слабые вспышки, которые фиксировала камера.

Метод основан на двухфотонной лазерной флуоресценции, позволяющей наблюдать атомы без разрушения среды. Ранее подобные технологии применялись в исследованиях плазменных потоков, а теперь — в жидкостях, что делает открытие особенно значимым.

Что удалось увидеть

На снимках, полученных камерой, атомы кислорода светились не только на поверхности, но и в глубине воды. Когда команда откалибровала данные, оказалось, что концентрация атомов достигает примерно десяти квадриллионов частиц в каждом кубическом сантиметре воды.

Это удивительно высокая плотность для столь нестабильных частиц. Анализ химических реакций показал, что атомы кислорода не взаимодействуют напрямую с молекулами воды, а в основном соединяются с растворённым кислородом, образуя озон.

Полученные данные позволили учёным рассчитать константу закона Генри, связывающую концентрацию газа в воздухе и в воде. Это уточняет поведение активных атомов и помогает создавать точные модели для химических и биомедицинских применений.

Плазма и медицина: новые возможности

Холодные атмосферные плазменные струи уже активно используются — они стерилизуют хирургические инструменты, ускоряют заживление ран и очищают воду. Новое открытие показывает, что такие процедуры воздействуют глубже, чем считалось ранее.

Если атомы кислорода могут проникать на сотни микрометров в толщу воды, значит, плазменные технологии потенциально способны обрабатывать микротрещины, щели и биоплёнки на поверхностях тканей.

Однако это открывает и другую сторону — активные виды кислорода, проникающие в живые ткани, могут оказывать влияние на здоровые клетки. Поэтому, как подчёркивают авторы, дозы плазменного воздействия требуют пересмотра и точного регулирования.

Сравнение: кислород, азот и водород

Учёные отмечают, что их метод можно адаптировать для изучения и других элементов.

1. Атомы азота могут объяснить реакции образования нитратов при плазменной обработке жидкостей.

2. Атомы водорода помогают понять процессы восстановления и деградации в органических системах.

3. Кислород же остаётся ключевым агентом в окислительно-восстановительных реакциях, особенно в биологических средах.

Такие наблюдения помогают связать молекулярную химию с макроскопическими процессами — от дезинфекции до плазменных реакторов, где вода используется как рабочая среда. Подобные эксперименты уже проводились при анализе древних геохимических процессов, например, в исследовании происхождения Земли.

Плюсы и минусы новой технологии

Преимущества:

• Позволяет фиксировать отдельные атомы в жидкостях без разрушения образца.
• Дает прямые измерения времени жизни и глубины проникновения.
• Может использоваться для разных элементов — кислорода, азота, водорода.

Ограничения:

• Требует ультрастабильных лазеров и сверхчувствительных камер.
• Методика пока доступна только в лабораториях с высокоточной оптикой.
• Необходимы дальнейшие калибровки и сравнение с другими спектроскопическими методами.

Несмотря на эти трудности, результаты открывают путь к новой области — атомной химии жидкостей, где можно наблюдать поведение частиц с беспрецедентной точностью.

Популярные вопросы об атомарном кислороде

1. Чем атомарный кислород отличается от обычного?
Он не связан в молекулу O₂ и обладает неспаренным электроном, что делает его чрезвычайно реакционноспособным.

2. Зачем наблюдать атомы в воде?
Это помогает понять, как плазма взаимодействует с жидкостью, создавая активные формы кислорода, применяемые в медицине и очистке.

3. Можно ли использовать этот метод в других областях?
Да, он пригоден для визуализации атомов в биологических растворах и даже в океанических системах, где реакции кислорода определяют круговорот веществ — аналогично тому, как это исследовалось в анализе древних атмосферы и эмали динозавров.

Взгляд в будущее

Теперь команда Майерса планирует изучить, как атомный кислород ведёт себя в реальных условиях — в воде, содержащей соли, органику и живые клетки. Эти факторы могут сокращать срок его существования или менять направление реакций.

Исследователи также хотят проверить, можно ли наблюдать другие реактивные атомы, такие как азот, при помощи той же фемтосекундной технологии. Первые эксперименты показывают, что метод можно адаптировать, но чувствительность пока ограничена.

Главным достижением остаётся то, что впервые стало возможным видеть, как атомы кислорода живут, движутся и реагируют в воде. Это открытие соединяет фундаментальную физику с прикладными решениями — от дезинфекции до создания плазменных технологий нового поколения.