Verdens hurtigste vandvarmer—100, 000 grader på under en tiendedel af et picosekund

Forskere har brugt en kraftig røntgenlaser til at opvarme vand fra stuetemperatur til 100, 000 grader Celsius på mindre end en tiendedel af et picosekund (milliontedel af en milliontedel af et sekund). Den eksperimentelle opsætning, som kan ses som verdens hurtigste vandvarmer, produceret en eksotisk vandtilstand, hvorfra forskerne håber at lære mere om vands ejendommelige egenskaber. Observationerne har også praktisk brug for sondering af biologiske og mange andre prøver med røntgenlasere. Holdet af Carl Caleman fra Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ved DESY og Uppsala Universitet (Sverige) rapporterer sine resultater i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Forskerne brugte røntgenfri-elektronlaseren Linac Coherent Light Source LCLS på SLAC National Accelerator Laboratory i USA til at skyde ekstremt intense og ultrakorte glimt af røntgenstråler i en vandstråle. "Det er ikke den sædvanlige måde at koge dit vand på, sagde Caleman. Normalt, når du opvarmer vand, molekylerne vil bare blive rystet stærkere og stærkere." På det molekylære plan, varme er bevægelse - jo varmere, jo hurtigere bevægelser molekylerne. Dette kan opnås, for eksempel, via varmeoverførsel fra et komfur, eller mere direkte med mikrobølger, der får vandmolekylerne til at svinge stadig hurtigere frem og tilbage i takt med det elektromagnetiske felt.

"Vores opvarmning er fundamentalt anderledes, " forklarede Caleman. "De energiske røntgenstråler slår elektroner ud af vandmolekylerne, derved ødelægger balancen af ​​elektriske ladninger. Så, pludselig mærker atomerne en stærk frastødende kraft og begynder at bevæge sig voldsomt." På mindre end 75 femtosekunder, det er 75 milliontedele af en milliardtedel af et sekund eller 0.000 000 000 000 075 sekunder, vandet gennemgår en faseovergang fra væske til plasma. Et plasma er en tilstand af stof, hvor elektronerne er blevet fjernet fra atomerne, fører til en slags elektrisk ladet gas.

"Men mens vandet forvandles fra væske til plasma, det forbliver stadig på tætheden af ​​flydende vand, da atomerne ikke havde tid til at bevæge sig væsentligt endnu, " sagde medforfatter Olof Jönsson fra Uppsala Universitet. Denne eksotiske tilstand af stof er ikke noget, der kan findes naturligt på Jorden. "Den har lignende egenskaber som nogle plasmaer i solen og gasgiganten Jupiter, men har en lavere tæthed. I mellemtiden det er varmere end Jordens kerne."

Forskerne brugte deres målinger til at validere simuleringer af processen. Sammen, målingerne og simuleringerne gør det muligt at studere denne eksotiske tilstand af vand for at lære mere om vands generelle egenskaber. "Vand er virkelig en mærkelig væske, og hvis det ikke var for dets ejendommelige egenskaber, mange ting på Jorden ville ikke være, som de er, især livet, " understregede Jönsson. Vand udviser mange anomalier, inklusive dens tæthed, varmekapacitet og varmeledningsevne. Det er disse anomalier, der vil blive undersøgt inden for det fremtidige Center for Vandvidenskab (CWS), der er planlagt på DESY, og de opnåede resultater er af stor betydning for aktiviteterne der.

Ud over dets grundlæggende betydning, undersøgelsen har også umiddelbar praktisk betydning. Røntgenlasere bruges ofte til at undersøge atomstrukturen af ​​små prøver. "Det er vigtigt for ethvert eksperiment, der involverer væsker ved røntgenlasere, " sagde medforfatter Kenneth Beyerlein fra CFEL. "Faktisk, enhver prøve, som du sætter ind i røntgenstrålen, vil blive ødelagt på den måde, vi observerede. Hvis du analyserer noget, der ikke er en krystal, det skal du overveje."

Målingerne viser næsten ingen strukturelle ændringer i vandet op til 25 femtosekunder efter, at røntgenpulsen begynder at ramme det. Men på 75 femtosekunder, ændringer er allerede tydelige. "Undersøgelsen giver os en bedre forståelse af, hvad vi gør ved forskellige prøver, " forklarede medforfatter Nicusor Timneanu fra Uppsala Universitet, en af ​​nøgleforskerne, der udviklede den anvendte teoretiske model. "Dens observationer er også vigtige at overveje for udviklingen af ​​teknikker til at afbilde enkelte molekyler eller andre små partikler med røntgenlasere."