علماء يحلون لغز الأكسجين شديد التفاعل
لقد كشف الباحثون عن لغز قديم يعود لعقود في الكيمياء بشرح كيفية تحول الأكسجين إلى حالة شديدة التفاعل في ظروف معينة. الاختراق، المفصل في دراسة حديثة، يكشف عن آلية جديدة تشمل تفاعلات الأكسجين الذري. قد يعيد هذا الاكتشاف تشكيل فهمنا للعمليات الجوية وعمليات الاحتراق.
لأكثر من 50 عامًا، كان الكيميائيون محيرين بسبب سلوك الأكسجين شديد التفاعل، خاصة في الشكل المعروف باسم الأكسجين المنفرد، الذي يلعب دورًا حاسمًا في التفاعلات من التمثيل الضوئي إلى التلوث. قام فريق بقيادة ديفيد أوزبورن في معامل سان-dia الوطنية في الولايات المتحدة بكشف اللغز أخيرًا من خلال تقنيات تجريبية متقدمة.
ركزت الدراسة، التي نشرت في مجلة Science في 10 أكتوبر 2024، على التفاعل بين ذرات الأكسجين والأكسجين الجزيئي. باستخدام طريقة تُدعى تصوير خريطة السرعة، راقب الباحثون الوسطاء الزائلين في التفاعل O + O2 → O3، لكن مع لمسة: حددوا مسارًا يؤدي إلى تشكيل منتجات أكسجين في حالة ثلاثية شديدة التفاعل.
"كان هذا التفاعل صندوقًا أسود لفترة طويلة جدًا"، قال أوزبورن في مقابلة مع New Scientist. "نرى الآن بالضبط كيفية توزيع الطاقة، مما يفسر لماذا يمكن للأكسجين أن يصبح مفاجئًا شديد العدوانية في كسر الروابط."
يعود خلفية هذا اللغز إلى السبعينيات، عندما أظهرت التجارب المبكرة تناقضات في معدلات تفاعلية الأكسجين تحت ضغوط ودرجات حرارة مختلفة. افترضت النماذج السابقة نقل طاقة بسيط، لكنها فشلت في حساب التأثيرات الكمومية التي تسمح للأكسجين بالوصول إلى حالات إلكترونية محظورة.
تؤكد هذه الرؤية الجديدة تفاصيل من عدة محاكيات حاسوبية أجريت في العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، مما يحل التناقضات حيث تصطدم بيانات المختبر مع النظرية—على سبيل المثال، اقترحت التقارير السابقة معدلات تفاعل 10 أضعاف أعلى مما توقعته، بينما يتوافق هذا العمل معها بدقة.
تمتد الآثار إلى ما هو أبعد من الكيمياء النقية. في الغلاف الجوي، قد يؤثر هذا الآلية على استنزاف الأوزون وتشكيل الضباب الدخاني، مما يؤثر على نماذج المناخ. في الصناعة، قد تحسن التنبؤات الأفضل لتفاعلية الأكسجين تصاميم المحركات وتقلل الانبعاثات من عمليات الاحتراق.
أجريت البحوث باستخدام مرافق حديثة في منشأة بحوث الاحتراق في سان-dia، مما يبرز دور المختبرات الوطنية في العلوم الأساسية. بينما يؤكد الفريق على الحاجة إلى التحقق الإضافي في البيئات المعقدة، فإن هذا يحل لغزًا أساسيًا تجنبه العلماء لأجيال.