科學家們首次捕捉到溶解在水中的單個原子氧的影像，這一突破性成果源於一種先進的激光技術，揭示了這種高度反應性物質以前未知的行為。這項研究提供了直接的視覺證據，展示了原子氧在水環境中如何移動和生存。長期以來，這一領域的測量被認為幾乎是不可能的。原子氧以其強大的氧化性而聞名，並在醫學、工業化學及基礎研究中佔有重要地位。然而，由於氧原子難以檢測且會擾亂研究所需的條件，其在液體中的行為仍然不甚清楚。在此之前，研究人員缺乏一種能夠直接測量水中原子氧濃度而不造成降解或引發不必要的化學反應的工具。
為了量化水中的原子氧，研究人員多年來依賴化學探針，但這些方法屢屢失敗，因為原子氧的強反應性要麼摧毀了探針，要麼將其轉化為其他反應性氧物種。研究團隊需要一種能夠選擇性檢測原子氧而不擾動水環境的方法。根據 Phys.org 的報導，研究團隊採用了雙光子吸收激光誘導熒光（TALIF）技術，該技術已用於測量氣體中的原子物種。TALIF 通過同時用兩個光子激發一個原子，將其提升至更高的能量狀態，當原子回到基態時，會發出光，形成熒光信號顯示其存在和濃度。然而，以前在液體中使用 TALIF 的嘗試均以失敗告終，因為水會迅速淬滅激發的氧原子，抑制其熒光。
這項發表在《自然通訊》上的新研究克服了這一挑戰，使用了一種超快的飛秒激光。這些極短的脈衝提供了足夠的能量來激發原子，使其在周圍水分子淬滅之前發出熒光。研究人員將一束經過精確調整的 225.7 nm 飛秒激光通入富含原子氧的水中，這些原子氧是由等離子體噴流產生的。當激發的氧原子放鬆時，它們發出在 844.6 nm 的熒光，並被靈敏的相機系統捕捉。通過將結果信號與經標定的氙參考進行比較，並使用模擬來評估與水分子碰撞淬滅熒光的速度，研究團隊確定了水面附近的原子氧濃度。測量結果顯示，溶解的氧密度約為 10¹⁶ cm⁻³。
研究人員不僅檢測到了原子氧的存在，還觀察到挑戰長期假設的行為。氧原子在水中穩定存在了數十微秒，這遠超出預測，並在水中移動了幾百微米。現有的化學模型認為，原子氧在進入液體環境後應立即反應，使得這種移動性和壽命不太可能。研究結果表明，原子氧在水中的化學行為比以往認為的更為複雜，並可能對依賴於受控氧化反應的技術產生影響。許多新興應用涉及原子氧與液體的相互作用，因此理解其移動和生存至關重要。
研究作者指出，在實驗中觀察到的意外長壽命和移動距離強調了修訂現有氧在水系統中行為模型的必要性。fs-TALIF 技術現在提供了一條直接研究這些過程的途徑，提供的精度超過了早期方法。借助這一新工具，研究人員可能能夠以更清晰的方式探索原子氧的獨特化學性質，為未來在科學領域及其他領域的應用指引方向。
