Forskare har använt en kraftfull röntgenlaser för att värma vatten från rumstemperatur till 100, 000 grader Celsius på mindre än en tiondel av en picosekund (miljonedel av en miljonedel av en sekund). Den experimentella inställningen, som kan ses som världens snabbaste vattenvärmare, producerat ett exotiskt vattentillstånd från vilket forskare hoppas kunna lära sig mer om vattens särdrag. Observationerna har också praktisk användning för sonderande biologiska och många andra prover med röntgenlasrar. Teamet av Carl Caleman från Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) vid DESY och Uppsala universitet (Sverige) rapporterar sina resultat i tidskriften Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ).
Forskarna använde röntgenfrielektronlasern Linac Coherent Light Source LCLS vid SLAC National Accelerator Laboratory i USA för att skjuta extremt intensiva och ultrakorta röntgenstrålar mot en vattenstråle. "Det är inte det vanliga sättet att koka ditt vatten, "sa Caleman." Normalt sett när du värmer vatten, molekylerna kommer bara att skakas starkare och starkare. "På molekylär nivå, värme är rörelse - ju hetare, desto snabbare rör sig molekylerna. Detta kan uppnås, till exempel, via värmeöverföring från en spis, eller mer direkt med mikrovågor som får vattenmolekylerna att svänga fram och tillbaka allt snabbare i takt med det elektromagnetiska fältet.
"Vår uppvärmning är fundamentalt annorlunda, "förklarade Caleman." De energiska röntgenstrålarna slår ut elektroner ur vattenmolekylerna, vilket förstör balansen mellan elektriska laddningar. Så, plötsligt känner atomerna en stark frånstötande kraft och börjar röra sig våldsamt. "På mindre än 75 femtosekunder, det är 75 miljoner av en miljarddel av en sekund eller 0 000 000 000 000 075 sekunder, vattnet går igenom en fasövergång från vätska till plasma. En plasma är ett materiellt tillstånd där elektronerna har tagits bort från atomerna, som leder till en slags elektriskt laddad gas.
"Men medan vattnet omvandlas från vätska till plasma, det förblir fortfarande vid densiteten av flytande vatten, eftersom atomerna inte hade tid att röra sig nämnvärt än, "sa medförfattaren Olof Jönsson från Uppsala universitet. Detta exotiska tillstånd av materia är ingenting som kan hittas naturligt på jorden." Det har liknande egenskaper som vissa plasma i solen och gasjätten Jupiter, men har en lägre densitet. Under tiden, den är varmare än jordens kärna. "
Forskarna använde sina mätningar för att validera simuleringar av processen. Tillsammans, mätningarna och simuleringarna gör det möjligt att studera detta exotiska vattentillstånd för att lära sig mer om vattnets allmänna egenskaper. "Vatten är verkligen en udda vätska, och om det inte vore för sina särdrag, många saker på jorden skulle inte vara som de är, särskilt livet, "Betonade Jönsson. Vatten visar många avvikelser, inklusive dess densitet, värmekapacitet och värmeledningsförmåga. Det är dessa avvikelser som kommer att undersökas inom det framtida Center for Water Science (CWS) planerat vid DESY, och de erhållna resultaten har stor betydelse för aktiviteterna där.
Förutom dess grundläggande betydelse, studien har också omedelbar praktisk betydelse. Röntgenlasrar används ofta för att undersöka atomstrukturen hos små prover. "Det är viktigt för alla experiment med vätskor vid röntgenlasrar, "sa medförfattaren Kenneth Beyerlein från CFEL." Faktum är att varje prov som du lägger in i röntgenstrålen kommer att förstöras på det sätt som vi observerade. Om du analyserar något som inte är en kristall, du måste överväga detta. "
Mätningarna visar nästan inga strukturella förändringar i vattnet upp till 25 femtosekunder efter att röntgenpulsen börjar träffa den. Men vid 75 femtosekunder, förändringar är redan uppenbara. "Studien ger oss en bättre förståelse för vad vi gör med olika prover, "förklarade medförfattaren Nicusor Timneanu från Uppsala universitet, en av de viktigaste forskarna som utvecklar den teoretiska modellen som används. "Dess observationer är också viktiga att tänka på för utveckling av tekniker för att avbilda enstaka molekyler eller andra små partiklar med röntgenlasrar."
