Flydende vand ved 170 grader Celsius:Røntgenlaser afslører unormal dynamik ved ultrahurtig opvarmning

Brug af røntgenlaseren European XFEL, et forskerhold har undersøgt, hvordan vand varmes op under ekstreme forhold. I processen, forskerne var i stand til at observere vand, der forblev flydende, selv ved temperaturer på mere end 170 grader Celsius. Undersøgelsen afslørede en uregelmæssig dynamisk opførsel af vand under disse forhold. Resultaterne af undersøgelsen, som er offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ), er af grundlæggende betydning for planlægning og analyse af undersøgelser af følsomme prøver ved hjælp af røntgenlasere.

Europæisk XFEL, en international forskningsfacilitet, der strækker sig fra DESY-stedet i Hamborg til nabobyen Schenefeld i Slesvig-Holsten, er hjemsted for den mest kraftfulde røntgenlaser i verden. Det kan generere op til 27 000 intense røntgenblink pr. Sekund. Til deres eksperimenter, forskerne brugte serier på 120 blink hver. De enkelte blink var mindre end en milliondel af et sekund fra hinanden (præcis 0,886 mikrosekunder). Forskerne sendte disse pulstog ind i en tynd, vandfyldt kvartsglasrør og observerede reaktionen af ​​vandet.

"Vi spurgte os selv, hvor længe og hvor stærkt vand kan opvarmes i røntgenlaseren, og om det stadig opfører sig som vand, "forklarer hovedforfatter Felix Lehmkühler fra DESY." F.eks. fungerer det stadig som kølevæske ved høje temperaturer? "En detaljeret forståelse af overophedet vand er også afgørende for et stort antal undersøgelser af varmefølsomme prøver, såsom polymerer eller biologiske prøver.

"Med røntgenblinkene, vi var i stand til at opvarme vandet til 172 grader Celsius inden for en ti tusindels sekund uden at det fordampede, "rapporterer Lehmkühler. En sådan kogeforsinkelse kan normalt kun observeres op til omkring 110 grader Celsius." Men det er ikke det eneste unormale træk, "understreger fysikeren. Forskerne undersøgte bevægelsen af ​​silicium -nanosfærer, der flyder i vandet som markører for dynamikken i prøven." I det ekstremt overophedede vand, vi observerede, at bevægelsen af ​​siliciumdioxid -nanosfærer afvigede betydeligt fra den forventede tilfældige browniske molekylære bevægelse. Dette indikerer en ujævn opvarmning af prøven, "siger Lehmkühler. Eksisterende teoretiske modeller kan endnu ikke tilfredsstillende forklare denne adfærd, fordi de ikke er designet til vand under disse ekstreme forhold.

Takket være den hurtige flashsekvens i den europæiske XFEL, forskerne var i stand til at observere processen i ekstreme detaljer. "Det, der gør den europæiske XFEL unik, er den høje gentagelsesrate, det er, det høje antal pulser pr. sekund ", forklarer medforfatter Adrian Mancuso, leder af SPB/SFX -instrumentet på det europæiske XFEL, hvor eksperimenterne fandt sted. "Og vi har al instrumenteringen på plads - såsom hurtige kameraer, diagnostik og mere - for at gøre disse eksperimenter mulige ". F.eks. Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD) udviklet af et DESY-ledet konsortium kan tage omkring 350 seriebilleder med intervaller på kun 220 milliarddeler af et sekund (nanosekunder).

Denne opsætning tillod ikke kun, at det overophedede vand blev genereret, men også gjort det muligt for forskerne at udføre præcist kontrollerede rækker af eksperimenter med røntgenblink med reduceret intensitet. "Ved hjælp af siliciumfiltre, vi finjusterede pulsenes energi, så vi var i stand til at kontrollere præcis, hvor meget vandet blev opvarmet, "rapporterer Lehmkühler." F.eks. vi var i stand til at bestemme, hvor stærke røntgenblinkene skal være, så temperaturen på en vandig prøve forbliver mere eller mindre konstant ".

Dette gør det muligt for forskere bedre at planlægge eksperimenter med varmefølsomme prøver ved røntgenlaseren, for eksempel. På den anden side, opvarmningseffekten kan også bruges målrettet, hvis dens nøjagtige forløb er kendt. Teamet planlægger at undersøge disse effekter yderligere inden for rammerne af Center for Molecular Water Science (CMWS), som i øjeblikket er ved at blive oprettet på DESY.

"Vores resultater giver ikke kun den overraskende observation af en unormal dynamik, men også tegne et detaljeret billede af, hvordan vandige prøver opvarmes i røntgenlaseren, "opsummerer hovedforsker Gerhard Grübel fra DESY, en af ​​CMWS -koordinatorerne. "Ud over, undersøgelserne viser, at sådanne seriebilleder er mulige på det europæiske XFEL, og at dets blink er ekstremt ensartet i hvert pulstog ".