In einer neuen Studie gelang es einem Forscherteam, zum ersten Mal Bilder eines atomaren Sauerstoffs in Wasser zu erfassen, indem die von angeregten Sauerstoffatomen emittierte Fluoreszenz genutzt wurde, bevor diese durch das umgebende Wasser neutralisiert werden konnten.
Trotz seiner fundamentalen Bedeutung für das Leben umgibt atomaren Sauerstoff eine überraschende Menge an Geheimnissen, da Wissenschaftler weiterhin verstehen müssen, wie er in wässrigen Umgebungen reagiert.
Dies ist ein entscheidender Punkt: Die oxidierenden Eigenschaften von atomarem Sauerstoff sind in der Medizin und Industrie von großer Bedeutung, weshalb das Verständnis seiner Reaktionen in Wasser entscheidend ist.
Die Beantwortung dieser offenen Frage war aufgrund technischer Einschränkungen nahezu unmöglich.
Frühere Versuche, atomaren Sauerstoff in Wasser zu messen, scheiterten, da die Flüssigkeit schnell jeden angeregten Atom neutralisiert, bevor dieser registriert werden kann.
Doch jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern der North Carolina State University, Princeton und Texas A&M einen bedeutenden Fortschritt erzielt, indem sie eine Femtosekundenlaser-Technik (10⁻¹⁵ Sekunden) verwendeten, die in der Lage ist, atomaren Sauerstoff zu erregen und die resultierende Fluoreszenz aufzuzeichnen, bevor sie erlischt.
Die Ergebnisse der Studie wurden in einem Artikel veröffentlicht, der in der Zeitschrift Nature Communications erschienen ist.
„Die Messungen zeigen, dass Sauerstoffatome während Dutzender von Mikrosekunden im Wasser verbleiben und Hunderte von Mikrometern in die Flüssigkeit eindringen“, schrieben die Autoren der Studie.
„Diese beobachtete Langlebigkeit hat bedeutende Implikationen und deutet darauf hin, dass bestehende Modelle zur Reaktivität und zum Transport von gelöstem atomaren Sauerstoff neu bewertet werden müssen“, fügen die Forscher hinzu.
Um diesen Fortschritt zu erreichen, verwendeten die Wissenschaftler eine als zweitphotonen-induzierte Fluoreszenz bekannte Technik, auch TALIF genannt; und im Gegensatz zu vielen wissenschaftlichen Prozessen ist dieser Name tatsächlich beschreibend.
Die Wissenschaftler messen diese einzelnen Sauerstoffatome, indem sie sie zwingen, gleichzeitig zwei Photonen zu absorbieren, was sie in einen angeregten Zustand versetzt. Wenn sie in ihren Grundzustand zurückkehren, geben sie die überschüssige Energie in Form von Fluoreszenz ab. Durch das Messen dieser überschüssigen Energie – oder Licht – ist es möglich, die Konzentrationen spezifischer Formen eines Elements zu bestimmen.
Es scheint einfach, nicht wahr? Das Problem besteht jedoch darin, dass diese angeregten Zustände nicht lange bestehen bleiben, da die Flüssigkeit sie schnell erlöschen lässt.
In diesem Fall jedoch erregte der Einsatz eines Femtosekundenlasers die Atome so rasch, dass das Forschungsteam erheblich Zeit hatte, um sie zu erfassen, bevor sie neutralisiert wurden.
Laut Phys.org verglichen die Wissenschaftler anschließend die Ergebnisse der Fluoreszenz mit einem kalibrierten Signal aus Xenondichte, da, wie die Autoren der Studie erklären, dieses ein nahezu identisches Schema von Anregung und Fluoreszenz durch zwei Photonen aufweist.
Diese Daten wurden anschließend in Simulationen eingegeben, um die Häufigkeit zu schätzen, mit der die angeregten Atome mit Wassermolekülen kollidierten, wobei die Studie zu dem Schluss kam, dass sich schätzungsweise 10¹⁶ cm⁻³ Atome nahe der Wasseroberfläche befanden.
Einer der Prozesse, den diese Konfiguration zu verstehen versucht, ist die effektive Verzweigungsrate, das heißt, der Anteil der angeregten Atome, die jeweils ein Photon emittieren.
Eine der Einschränkungen der Studie liegt in der impliziten Annahme, dass jede Kollision zwischen diesen vom Laser angeregten Atomen und dem Wasser immer zu einer De-Exzitation führt, obwohl es möglich ist, dass Kollisionen ohne das Erlöschen des Atoms auftreten.
Die Autoren betonen daher, dass die oben genannten Sauerstoffdichten in bestenfalls eine maximale Schätzung und keine exakte Zahl darstellen.
Wie bereits erwähnt, stellte die Studie auch fest, dass Sauerstoff tatsächlich während Dutzender Mikrosekunden bestehen bleibt und Hunderte von Mikrometern durchqueren kann.
Obwohl diese Distanz für uns unvorstellbar kurz ist, ist sie signifikant höher, als die Wissenschaftler vorhergesagt hatten, was bedeutet, dass künftige Studien dieses Phänomen weiter untersuchen müssen und die bestehenden Modelle über das Verhalten von Sauerstoff in Wasser aktualisiert werden müssen.
