Atomi kisika: Znanstveni 'duhovi’ postaju vidljivi
Godinama su bili poput duhova u svijetu znanosti – svi su znali za njihovo postojanje, ali ih nitko nije uspio vidjeti vlastitim očima. Pojedinačni atomi kisika koji se slobodno kreću u tekućoj vodi predstavljali su jedan od posljednjih velikih izazova za kemičare. Svaki pokušaj njihovog hvatanja završavao je neuspjehom, jer bi ili uništio osjetljivi uzorak ili izazvao nekontrolirane reakcije. Sada je taj zastoj prekinut.
Tim s École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) prvi je u povijesti izravno promatrao atome kisika u vodi. Ono što su vidjeli dovodi u pitanje dosadašnja, ustaljena uvjerenja o reaktivnosti ovog ključnog elementa.
Neočekivana dugovječnost: Atomi kisika prkose teorijama
Znanstvenici pod vodstvom Braydena Myersa iz Swiss Plasma Centera proveli su mjerenje koje se činilo nerealnim. Otkrili su da atomi kisika opstaju u vodi desecima mikrosekundi. Za prosječnog čovjeka to je treptaj oka, ali u razmjerima kemijskih reakcija, to je gotovo vječnost. Dosadašnje teorije pretpostavljale su da bi taj iznimno reaktivan element trebao gotovo odmah stupiti u interakciju s okolinom.
Mjerenja su, međutim, pokazala da se atomi mogu kretati stotine mikrometara duboko u vodi (što odgovara djelićima milimetra). To je dovoljna udaljenost da ih lokalni protok tekućine prenese. Kalibracija signala fluorescencije otkrila je koncentraciju od oko deset kvadrilijuna atoma po kubnom centimetru. Ono što je jednako zanimljivo jest analiza reakcijskih putova koja je pokazala da atomski kisik rijetko napada molekule vode. Mnogo se radije spaja s molekularnim kisikom otopljenim u vodi, tvoreći ozon.
“Ta zapažena dugovječnost ima značajne implikacije, sugerirajući potrebu za ponovnom procjenom postojećih modela reaktivnosti i transporta solvatiranog atomskog kisika”, napominje Brayden Myers iz Swiss Plasma Centera.
Femtosekundni laser probija barijere
Ključ uspjeha ležao je u inovativnoj metodi detekcije. Raniji pokušaji oslanjali su se na kemijske sonde koje bi se uništile ili modificirale pod utjecajem reaktivnog kisika. Znanstvenicima je bio potreban način da ‘zavire’ u vodu bez narušavanja njezine strukture. Pomoć je stigla u obliku fluorescencije pobuđene dvofotonskom metodom, poznatom iz istraživanja plinova.
Ova tehnika uključuje pobuđivanje atoma s dva fotona istovremeno, što uzrokuje emitiranje karakterističnog svjetla kada se atom vraća u stanje mirovanja.
Problem primjene ove metode na tekućine bio je dugo poznat – molekule vode su gotovo odmah ‘krale’ energiju pobuđenim atomima, gaseći njihovu fluorescenciju. Proboj je postignut korištenjem lasera koji emitira iznimno kratke impulse, koji traju jednu milijuntinu-milijarditi dio sekunde. Ove munjevite isporuke energije bile su dovoljne da atomi zasvijetle prije nego što ih okolna voda uspije utišati. Precizno usmjeren snop lasera na vodu obogaćenu kisikom iz plazme omogućio je hvatanje slabog, ali rječita sjaja.
Zdravstvo i industrija pred promjenama u Hrvatskoj
Atomski kisik je snažan oksidans, a mogućnost praćenja njegovog puta u tekućini otvara vrata za preciznije tehnologije. Hladne atmosferske plazme već se istražuju za sterilizaciju, poticanje zacjeljivanja rana ili pročišćavanje vode.
Novi podaci sugeriraju da atomi mogu prodirati dublje nego što se dosad mislilo. S jedne strane, to je prilika za učinkovitiju borbu protiv biofilma na teško dostupnim mjestima. S druge strane, to je signal da se doze u medicinskim terapijama trebaju opreznije odabrati, kako se ne bi oštetilo zdravo tkivo. Ova saznanja su iznimno važna za primjenu u Hrvatskoj, kako bi se optimizirale terapije i industrijski procesi.
Potencijalne primjene su široke, uključujući:
- Napredne metode dezinfekcije kirurških instrumenata.
- Nove generacije sustava za pročišćavanje vode.
- Poboljšana sigurnost proizvoda u prehrambenoj industriji kroz bolju kontrolu atomskog kisika.
Metoda razvijena u Švicarskoj ne zaustavlja se na kisiku. Njezina prilagodba za promatranje atoma dušika ili vodika može nam dati neviđen uvid u ponašanje različitih elemenata u otopinama. Znanstvenici sada žele istražiti kako se atomski kisik ponaša u prirodnim, složenijim okruženjima – npr. u vodi koja sadrži soli ili organsku tvar. Ključni izazov sada će biti prevesti ova mikroskopska opažanja u pouzdane modele koji će omogućiti predviđanje učinaka na makro razini. Takvo će znanje biti neprocjenjivo pri projektiranju budućih plazma reaktora ili sustava za pročišćavanje.
