尖端激光成像技術(shù)終現(xiàn)水中難以捉摸的原子氧。

科學(xué)家首次成功捕捉到溶解于水中的單個(gè)原子氧的圖像，這項(xiàng)先進(jìn)的激光技術(shù)揭示了這種高活性物質(zhì)以往未知的行為。

這一突破為原子氧在水環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)與存活提供了直接視覺證據(jù)。該領(lǐng)域的測量長期以來被認(rèn)為近乎不可能實(shí)現(xiàn)。

原子氧以其強(qiáng)氧化性著稱，在醫(yī)學(xué)、工業(yè)化學(xué)及基礎(chǔ)研究中具有關(guān)鍵作用。然而，由于氧原子難以在不干擾其研究條件的情況下被探測，其在液體中的行為一直未被充分理解。

此前，研究人員缺乏能夠直接測量水中原子氧濃度且不會導(dǎo)致其降解或引發(fā)副反應(yīng)的工具。

突破瓶頸的激光方法

多年來，量化水中原子氧的嘗試依賴于化學(xué)探針，但這些方法屢屢失敗，因?yàn)樵友醯母叻磻?yīng)性要么會破壞探針，要么將其轉(zhuǎn)化為其他活性氧物種。研究人員需要一種能選擇性探測原子氧且不破壞水環(huán)境的方法。

據(jù)《物理學(xué)家組織網(wǎng)》報(bào)道，研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了雙光子吸收激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)。該技術(shù)此前已用于氣體中原子種類的測量，其原理是通過雙光子同時(shí)激發(fā)原子，使其躍升至更高能態(tài)。當(dāng)原子回落至基態(tài)時(shí)會釋放熒光信號，從而揭示其存在與濃度。

然而，早期在液體中使用TALIF的嘗試均未成功，因?yàn)樗畷杆兮缡芗ぱ踉拥臒晒?。發(fā)表在《自然·通訊》上的新研究通過使用超快飛秒激光克服了這一難題。這種極短脈沖能提供足夠能量激發(fā)原子，使其在周圍水分子猝滅前發(fā)出熒光。

研究人員將精確調(diào)諧的225.7納米飛秒激光射入由等離子射流產(chǎn)生的富原子氧水中。受激氧原子弛豫時(shí)釋放出844.6納米的熒光，被高靈敏度相機(jī)系統(tǒng)捕獲。

通過將信號與校準(zhǔn)的氙參考值對比，并模擬計(jì)算水分子碰撞猝滅熒光的速度，團(tuán)隊(duì)測得了水表面附近的原子氧濃度，其溶解氧密度約為101? cm?3量級。

水中出人意料的穩(wěn)定性

除了探測到原子氧，研究人員還觀察到了挑戰(zhàn)傳統(tǒng)認(rèn)知的現(xiàn)象：氧原子在水中可穩(wěn)定存在數(shù)十微秒，時(shí)間遠(yuǎn)超預(yù)期，并能向水中移動(dòng)數(shù)百微米。現(xiàn)有化學(xué)模型曾認(rèn)為原子氧進(jìn)入液體環(huán)境后會立即反應(yīng)，因此其運(yùn)動(dòng)能力與存留時(shí)間令人意外。

研究結(jié)果表明，水中原子氧的化學(xué)行為比以往認(rèn)為的更復(fù)雜，這對依賴可控氧化反應(yīng)的技術(shù)具有潛在影響。由于許多新興應(yīng)用涉及原子氧與液體的相互作用，理解其運(yùn)動(dòng)與存活機(jī)制至關(guān)重要。

作者指出，實(shí)驗(yàn)中觀察到的超長存留時(shí)間與移動(dòng)距離表明，亟需修正現(xiàn)有水體系中氧行為的模型。飛秒-TALIF技術(shù)為直接研究這些過程提供了新路徑，實(shí)現(xiàn)了以往方法無法達(dá)到的精度水平。

憑借這一新工具，研究人員有望更清晰地探索原子氧的特殊化學(xué)性質(zhì)，為未來科學(xué)及其他領(lǐng)域的應(yīng)用指引方向。

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