Suda atomik oksijen! Bilim dünyasını şaşırtan keşif

Bilim insanları tarafından gerçekleştirilen türünün ilk örneği olan bir deneyde, sıvı su ortamında atomik oksijen başarıyla görüntülendi ve bu reaktif element hakkında daha önce ölçülemez olduğu varsayılan pek çok davranış ortaya çıkarıldı. Kuzey Karolina Eyalet Üniversitesi, Princeton ve Teksas A&M Üniversitesi'nden oluşan araştırma ekibi tarafından yürütülen bu çalışma, prestijli Nature Communications dergisinde yayımlandı. Atomik oksijenin suda nasıl davrandığına ilişkin bulgular, bilim insanlarını mevcut teorik modelleri yeniden gözden geçirmeye ve bu konudaki anlayışlarını derinleştirmeye zorlayacak niteliktedir.

Atomik oksijen nedir ve neden bu kadar önemlidir?

Atomik oksijen, elementin son derece reaktif bir formu olup, oksidatif özellikleri nedeniyle çeşitli tıbbi ve endüstriyel uygulamalarda kritik bir rol oynamaktadır. Bu reaktif yapısı sayesinde, atomik oksijen birçok kimyasal reaksiyonda katalizör veya aktif bileşen olarak kullanılmaktadır. Ancak, atomik oksijenin bu kadar önemli olmasına rağmen, suda nasıl davrandığı ve ne kadar süre kalıcı olabileceği konusu uzun yıllar boyunca büyük ölçüde spekülatif kalmıştır. Bunun temel nedeni, suyun uyarılmış oksijen atomlarını son derece hızlı bir şekilde söndürmesi, yani onları devre dışı bırakması ve bu sayede bilim insanlarının onları ölçebilmeden önce kaybolmasıdır. Bu zorluk, önceki ölçüm girişimlerinin başarısız olmasına ve atomik oksijenin su ortamındaki davranışının bilinmemesine neden olmuştur.

Femtosaniye lazer teknolojisi ile atomik oksijen görüntülendi

Suda atomik oksijeni nihayet gözlemleyebilmek için araştırmacılar, iki-foton absorpsiyonlu lazer kaynaklı floresans (TALIF) adı verilen ileri bir tekniğe başvurdular. Bu yöntem, atomik uyarılmaya ve yayılan ışığın tespitine dayanan bir prensiple çalışmaktadır. Tekniğin işleyişinde, oksijen atomları aynı anda iki fotonu absorbe etmeye zorlanır ve bu sayede uyarılmış bir duruma geçirilir. Atomlar kararlı bir temel duruma döndüklerinde, bilim insanlarının varlıklarını ve konsantrasyonlarını belirlemek için ölçebilecekleri floresans ışığı yayarlar. Tipik olarak, bu süreç suda hızlı söndürme nedeniyle etkisiz kalıyordu ve atomik oksijen tespit edilemiyordu. Ancak araştırma ekibi, sadece bir katrilyonda bir saniye süren darbeler yayan bir femtosaniye lazer kullanarak bu engeli aştı. Bu ultra kısa lazer darbesi, atomları çevrelerindeki suyun onları söndürebileceğinden çok daha hızlı uyarmalarına olanak tanıdı ve böylece floresans sinyalinin kısa ama kritik bir pencerede yakalanması mümkün hale geldi.

Araştırmacılar, elde ettikleri floresans verilerini kalibre edilmiş bir ksenon yoğunluk sinyali ile karşılaştırdılar. Ksenon, neredeyse özdeş bir iki-foton uyarılma ve floresans davranışı sergileyen bir element olduğundan, bu karşılaştırma oldukça değerli bir referans noktası sağladı. Bu karşılaştırma yöntemi, uyarılmış atomların su molekülleri ile ne sıklıkta çarpıştığını simüle etmeye yardımcı oldu. Sonuç olarak, su yüzeyine yakın yerde santimetreküp başına 10¹⁶ atom olarak tahmin edilen bir yoğunluk hesaplanmıştır. Bu sayı, atomik oksijenin suda beklenenden çok daha yüksek konsantrasyonlarda bulunabileceğini göstermektedir.

Atomik oksijenin beklenmedik uzun ömrü bilim dünyasını şaşırttı

Atomik oksijenin varlığını doğrulamanın ötesinde, bu çalışma suda nasıl hareket ettiği ve davrandığı hakkında tamamen beklenmedik ayrıntıları ortaya çıkarmıştır. Araştırma sonuçlarına göre, oksijen atomları onlarca mikrosaniye boyunca kalıcı olmuştur. Bu kadar reaktif bir tür için bu süre oldukça önemli ve dikkate değer bir bulgu olarak kabul edilmektedir. Daha da şaşırtıcı olan, atomik oksijenin sıvı ortama yüzlerce mikrometre nüfuz edebilmesidir. Bu penetrasyon derinliği, daha önceki teorik modellerin tahmin ettiği değerlerden çok daha fazladır. Bu düzeyde kalıcılığın daha önce imkansız olduğu düşünülüyordu ve bilim insanları bu bulguyu oldukça önemli bir keşif olarak değerlendirmektedir.