Med hjälp av röntgenlasern European XFEL, ett forskarlag har undersökt hur vatten värms upp under extrema förhållanden. I processen, forskarna kunde observera vatten som förblev flytande även vid temperaturer över 170 grader Celsius. Undersökningen avslöjade ett onormalt dynamiskt beteende hos vatten under dessa förhållanden. Resultaten av studien, som publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), är av grundläggande betydelse för planering och analys av undersökningar av känsliga prover med röntgenlaser.

Europeiska XFEL, en internationell forskningsanläggning, som sträcker sig från DESY-anläggningen i Hamburg till grannstaden Schenefeld i Schleswig-Holstein, är hem för den mest kraftfulla röntgenlasern i världen. Den kan generera upp till 27 000 intensiva röntgenblixtar per sekund. För sina experiment, forskarna använde serier om 120 blixtar vardera. De individuella blixtarna var mindre än en miljondels sekund från varandra (exakt 0,886 mikrosekunder). Forskarna skickade dessa pulståg in i en tunn, vattenfyllt kvartsglasrör och observerade vattnets reaktion.

"Vi frågade oss själva hur länge och hur starkt vatten kan värmas upp i röntgenlasern och om det fortfarande beter sig som vatten, " förklarar huvudförfattaren Felix Lehmkühler från DESY. "T.ex. fungerar det fortfarande som kylvätska vid höga temperaturer?" En detaljerad förståelse av överhettat vatten är också avgörande för ett stort antal undersökningar av värmekänsliga prover, såsom polymerer eller biologiska prover.

"Med röntgenblixtarna, vi kunde värma upp vattnet till 172 grader Celsius inom en tiotusendels sekund utan att det förångade, " rapporterar Lehmkühler. En sådan kokfördröjning kan normalt bara observeras upp till cirka 110 grader Celsius. "Men det är inte den enda avvikande egenskapen, " betonar fysikern. Forskarna undersökte rörelsen hos kiselnanosfärer som flyter i vattnet som markörer för dynamiken i provet. "I det extremt överhettade vattnet, vi observerade att rörelsen av nanosfärer av kiseldioxid avvek signifikant från den förväntade slumpmässiga Brownska molekylära rörelsen. Detta indikerar en ojämn uppvärmning av provet, " säger Lehmkühler. Befintliga teoretiska modeller kan ännu inte på ett tillfredsställande sätt förklara detta beteende eftersom de inte är designade för vatten under dessa extrema förhållanden.

Tack vare den snabba blixtsekvensen i den europeiska XFEL, forskarna kunde observera processen i extrem detalj. "Det som gör den europeiska XFEL unik är den höga upprepningsfrekvensen, det är, det höga antalet pulser per sekund", förklarar medförfattaren Adrian Mancuso, chef för SPB/SFX-instrumentet vid Europeiska XFEL där experimenten ägde rum. "Och vi har all instrumentering på plats - som snabba kameror, diagnostik och mer — för att göra dessa experiment möjliga". Till exempel, Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD) utvecklad av ett DESY-ledt konsortium kan ta cirka 350 seriebilder med intervaller på endast 220 miljarddels sekund (nanosekunder).

Denna inställning tillät inte bara att det överhettade vattnet genererades, men gjorde det också möjligt för forskarna att utföra exakt kontrollerade serier av experiment med röntgenblixtar av reducerad intensitet. "Med hjälp av silikonfilter, vi finjusterade energin för pulserna så att vi kunde kontrollera exakt hur mycket vattnet värmdes upp, " rapporterar Lehmkühler. "T.ex. vi kunde bestämma hur starka röntgenblixtarna skulle vara så att temperaturen på ett vattenhaltigt prov förblir mer eller mindre konstant".

Detta gör det möjligt för forskare att bättre planera experiment med värmekänsliga prover vid röntgenlaser, till exempel. Å andra sidan, värmeeffekten kan också användas på ett målinriktat sätt om dess exakta förlopp är känt. Teamet planerar att ytterligare undersöka dessa effekter även inom ramen för Center for Molecular Water Science (CMWS), som just nu sätts upp på DESY.

"Våra resultat ger inte bara den överraskande observationen av en onormal dynamik, men också rita en detaljerad bild av hur vattenhaltiga prover värms upp i röntgenlasern, " sammanfattar ledande forskare Gerhard Grübel från DESY, en av CMWS-koordinatorerna. "Dessutom, undersökningarna visar att sådana seriebilder är möjliga på den europeiska XFEL och att dess blixtar är extremt enhetliga i varje pulståg”.