برای نخستین بار، دانشمندان موفق شدند اتمهای اکسیژن را که به صورت منفرد و بدون تشکیل مولکول هستند، هنگام حرکت در آب مایع به طور مستقیم مشاهده کنند. این اتمها به مدت چند ده میکروثانیه، یعنی چند میلیونیم ثانیه، دوام میآورند؛ زمانی بسیار طولانیتر از آنچه شیمیدانها انتظار داشتند. این کشف، درک ما از رفتار اکسیژن اتمی و نقش آن در واکنشهای شیمیایی و کاربردهای پلاسما را دگرگون میکند.
ثبت حرکت اتمهای اکسیژن با لیزر فوقسریع
در این پژوهش، تیمی از دانشمندان از یک لیزر فوقسریع برای ثبت جرقههای بسیار کمنور منتشر شده از اتمهای اکسیژن محلول در آب استفاده کردند. اندازهگیریها نشان داد که این اتمها میتوانند صدها میکرومتر، معادل چند هزارم اینچ، در عمق آب نفوذ کنند.
چرا اتمهای اکسیژن اهمیت دارند؟
هدایت این پروژه را «بریدن مایرز»، پژوهشگر مرکز پلاسما در مدرسه پلیتکنیک فدرال لوزان برعهده داشت. او در حوزه پلاسمایی فعالیت میکند که گونههای فعال اکسیژن را در مایعات تولید میکنند؛ فرمی پرانرژی از اکسیژن که میتواند ساختار مولکولهای اطراف را تغییر دهد.
گونههای فعال اکسیژن (Reactive Oxygen Species) گاهی برای سلولها مخرب هستند و گاهی تنظیمکننده فرآیندهای طبیعی بدن محسوب میشوند. اما اکسیژن اتمی در انتهاییترین و پرقدرتترین بخش این خانواده قرار دارد. وجود یک الکترون جفتنشده، آن را به یک اکسیدکننده بسیار قوی تبدیل میکند.
کنترل محل و مدتزمان حضور اکسیژن اتمی در یک مایع میتواند به بهبود فرآیندهای ضدعفونی سطحی و توسعه نسل جدیدی از آبهای پلاسمایی برای کاربردهای پزشکی کمک کند.
چگونه دانشمندان اتمها را شکار کردند؟
برای تولید جریان اتمهای اکسیژن، پژوهشگران از پلاسما—گازی شامل ذرات باردار—استفاده کردند. در این روش، یک ریزجت پلاسما مخلوطی از هلیوم و اکسیژن را روی سطح آب دییونیزه میدمید و اتمهای تازه اکسیژن را وارد آب میکرد.
چالش بزرگ: شناسایی اتمهای اکسیژن در آب
آب، حالتهای برانگیخته را بسیار سریع خاموش میکند و بسیاری از روشهای شیمیایی رایج در تشخیص اتمها در آن فاقد کارایی هستند. محققان این مشکل را با بهکارگیری لیزر فمتوثانیه—پالسهایی معادل یک میلیون میلیاردم ثانیه—حل کردند. سپس از روش فلورسانس القایی با دو فوتون برای ثبت درخشش اتمهای اکسیژن استفاده شد.
دو فوتون فرابنفش هر اتم را به سطحی بالاتر از انرژی منتقل میکردند و سپس اتم نور بسیار ضعیفی منتشر میکرد که توسط دوربین ثبت شد.
دانشمندان چه مشاهده کردند؟
«این طول عمر مشاهدهشده، پیامدهای مهمی دارد و نشان میدهد که مدلهای فعلی درباره واکنشپذیری و انتقال اکسیژن اتمی در آب نیازمند بازنگری هستند.» — مایرز
تصاویر نشان دادند که اتمهای اکسیژن تنها در سطح نمیدرخشند؛ بلکه در اعماق آب نیز قابل مشاهدهاند. همین زمان بقای طولانی باعث میشود که اتمها همراه جریانهای کوچک ناشی از جت گاز، به عمق منتقل شوند.
پس از کالیبراسیون، محققان دریافتند که در هر سانتیمتر مکعب آب نزدیک سطح، حدود ده کوادریلیون اتم اکسیژن وجود دارد.
مسیرهای واکنش شیمیایی
- اکسیژن اتمی به ندرت با خود آب واکنش میدهد.
- بیشتر با اکسیژن محلول ترکیب میشود و اوزون میسازد.
- این دادهها امکان محاسبه ثابت هنری را فراهم کرد، عددی که مقدار اکسیژن در گاز را به مقدار آن در مایع پیوند میدهد.
نقش پلاسما در تغییر شیمی آب
پلاسماهای سرد اتمسفری امروز در حوزههای مختلفی از جمله ضدعفونی ابزار پزشکی، بهبود زخمها، پردازش مواد غذایی و تصفیه آب به کار میروند. اما شناخت دقیق اینکه چه گونههایی وارد آب میشوند و با چه دوزی عمل میکنند، برای طراحی فرآیندهای مؤثر ضروری است.
به دلیل دوام طولانی اتمهای اکسیژن و فاصلهای که در آب طی میکنند، درمانهای مبتنی بر پلاسما ممکن است لایههای عمیقتری از بافت یا بیوفیلمها را تحت تأثیر قرار دهند. این موضوع میتواند هم مزایا (برای نابودی میکروبهای پنهان) و هم نیاز به بازنگری در محدودیت دوزهای ایمن داشته باشد.
این روش تصویربرداری فقط مختص اکسیژن نیست و میتوان آن را برای مشاهده اتمهای نیتروژن یا هیدروژن نیز تنظیم کرد. ثبت حرکت این اتمها در بازههای میکروثانیهای به دانشمندان کمک میکند تا مدلهای دقیقتری از تأثیر پلاسما یا میدانهای الکتریکی بر شیمی آب ایجاد کنند.
سؤالات تازه در مسیر پژوهش
گام بعدی، بررسی رفتار اکسیژن اتمی در آبهای طبیعی است؛ جایی که نمکها، مولکولهای آلی و سلولهای زنده حضور دارند. این عناصر میتوانند عمر اتم را کوتاهتر کرده یا مسیر واکنشهای آن را تغییر دهند.
پژوهشگران همچنین در تلاشاند از همین روش لیزری برای نقشهبرداری از واکنشهای اتمهای دیگر در شرایط پیچیدهتر استفاده کنند. آزمایشهای اولیه نشان میدهد که این روش قابل توسعه است، اما بهبود حساسیت آن ضروری خواهد بود.
نتایج و آینده تحقیق درباره اکسیژن اتمی
اکنون دانشمندان مجموعهای از تصاویر و اندازهگیریهای مستقیم در اختیار دارند که نشان میدهد اکسیژن اتمی چگونه در آب ساده رفتار میکند. طول عمر، فاصله انتقال و غلظتهای تقریبی این اتمها، پایهای برای ساخت مدلهای قابلاعتمادتر فراهم میکند؛ مدلهایی که رویدادهای اتمی را به پیامدهای کلان پیوند میدهند.
این مدلها میتوانند در حوزههایی مانند طراحی آبهای پلاسمایی ضدعفونیکننده، بهینهسازی راکتورهای صنعتی و توسعه فناوریهای مبتنی بر اکسیژن اتمی نقش اساسی داشته باشند. توانایی مشاهده مستقیم این اتمها در آب، بخش نامرئی شیمی را آشکار میکند و دانش جدیدی برای تصمیمگیری در صنایع و فناوریهای مبتنی بر پلاسما فراهم میکند.
این پژوهش در نشریه Nature Communications منتشر شده است.
جمعبندی: قدمی بزرگ در شناخت اکسیژن اتمی
توانایی مشاهده اکسیژن اتمی در آب، درک ما از فرآیندهای شیمیایی، پلاسما و کاربردهای پزشکی را متحول میکند. این کشف، راه را برای فناوریهای ایمنتر و مؤثرتر در حوزههای ضدعفونی، تصفیه و مهندسی سطح هموار میکند.
