Forskare har skapat små bubblor i högtrycksvatten via intensiva fokuserade lasrar. Under dessa omständigheter, bubblorna expanderar med supersonisk hastighet och driver en chockvåg bestående av ett sfäriskt skal av högkomprimerat vatten. Forskargruppen som leds av universitetet i Göttingen, tillsammans med Deutsches Elektronen-Synchroton (DESY) och European X-Ray Free-Electron Laser (European XFEL) använde en innovativ teknik som involverade holografisk blixtavbildning och nanofokuserade röntgenlaserpulser. Forskningen publicerades i Naturkommunikation .

Teamet skapade först små bubblor med en radie på några tusendels millimeter genom att fokusera en infraröd laserpuls i vatten för att skapa kavitation, ett fenomen där små ångfyllda hålrum, d.v.s. bubblor, bildas i en vätska. Forskarna observerade den expanderande bubblan med synkroniserade men noggrant kontrollerade fördröjda röntgenpulser.

"I motsats till synligt ljus, där brytning och spridning suddar bilden, Röntgenbildning löser inte bara formen utan också densitetsprofilen för det inre av både bubblan och chockvågen, "förklarar Malte Vassholz, Ph.D. student vid universitetet i Göttingen och huvudförfattare till publikationen. "Detta gjorde att vi kunde generera röntgenhologram av de små bubblorna och spela in en stor dataström med tusentals händelser, som vi sedan analyserade med en speciellt utformad "avkodningsalgoritm" för att erhålla gasens densitet i bubblan och chockvågan runt den. "Tack vare den välkontrollerade tidsfördröjningen mellan den sådd laserpuls som skapade effekten och X- strålpuls som mätte den, laget kunde sedan spela in en film av processen.

Resultaten av hans experiment utmanar redan nuvarande vetenskaplig förståelse och hjälper andra forskare att utveckla bättre modeller. Professor Tim Salditt, Professor i röntgenfysik vid universitetet i Göttingen, förklarar, "Även om vatten är den viktigaste vätskan på jorden, det finns fortfarande mycket att lära om denna mystiska och svårfångade substans. Tack vare de unika egenskaperna hos röntgenlaserstrålningen som genereras vid den europeiska XFEL, och vår nya single-shot holografimetod, vi kan nu observera vad som verkligen händer i ånga och flytande vatten under extrema förhållanden. "

Denna forskningsteknik ger insikter för processer som är relevanta i andra tillämpningar:"Kavitation kan till exempel vara en oönskad effekt i vätskor i pumpar eller propeller, men det kan utnyttjas för användning vid laserbearbetning av material eller för att modifiera kemiska reaktioner, "förklarar doktor Robert Mettin, en expert som forskar om kavitation i många år vid Fysiska fakulteten, Göttingen universitet.

"Vid laseroperationer, chockvågor och komprimerade gaser i små bubblor skapas avsiktligt i vävnad, med laserpulser, "tillägger Salditt." I framtiden, sådana processer kan "filmas" i detalj, med hjälp av den metod som vi har utvecklat, på en mikroskopisk nivå och med hög tidsupplösning. "