Røntgenflashbilleder af laser-inducerede bobler og chokbølger i vand

Forskere har skabt små bobler i højtryksvand via intense fokuserede lasere. Under disse forhold, boblerne udvider sig med supersonisk hastighed og skubber til en chokbølge bestående af en kugleformet skal af stærkt komprimeret vand. Forskerholdet ledet af universitetet i Göttingen, sammen med Deutsches Elektronen-Synchroton (DESY) og European X-Ray Free-Electron Laser (European XFEL) brugte en innovativ teknik, der involverede holografisk flashbilleddannelse og nanofokuserede røntgenlaserimpulser. Forskningen blev offentliggjort i Naturkommunikation .

Holdet skabte først små bobler med en radius på et par tusindedele af en millimeter ved at fokusere en infrarød laserpuls i vand for at skabe kavitation, et fænomen, hvor små dampfyldte hulrum, dvs. bobler, dannes i en væske. Forskerne observerede den ekspanderende boble med synkroniserede, men omhyggeligt kontrollerede forsinkede røntgenimpulser.

"I modsætning til synligt lys, hvor brydning og spredning slører billedet, Røntgenbilleder løser ikke kun formen, men også tæthedsprofilen af ​​det indre af både boblen og stødbølgen, " forklarer Malte Vassholz, Ph.D. studerende ved universitetet i Göttingen og hovedforfatter af publikationen. "Dette gjorde det muligt for os at generere røntgenhologrammede af de små bobler og optage en stor datastrøm med tusindvis af begivenheder, som vi derefter analyserede ved hjælp af en specialudviklet 'afkodningsalgoritme' for at opnå tætheden af ​​gassen i boblen og chokbølgen omkring den." strålepuls, der målte det, holdet kunne derefter optage en film af processen.

Resultaterne af hans eksperiment udfordrer allerede den nuværende videnskabelige forståelse og vil hjælpe andre forskere med at udvikle bedre modeller. Professor Tim Salditt, Professor i røntgenfysik ved universitetet i Göttingen, forklarer, "Selvom vand er den vigtigste væske på Jorden, der er stadig meget at lære om dette mystiske og undvigende stof. Takket være de unikke egenskaber ved røntgenlaserstrålingen, der genereres ved den europæiske XFEL, og vores nye single-shot holografimetode, vi kan nu observere, hvad der virkelig foregår i damp og flydende vand under ekstreme forhold."

Denne forskningsteknik giver indsigt i processer, der er relevante i andre applikationer:"Kavitation kan være en uønsket effekt i væsker i pumper eller propeller for eksempel, men det kan bruges til laserbehandling af materialer eller til at modificere kemiske reaktioner, " forklarer Dr. Robert Mettin, en ekspert, der gennem mange år har forsket i kavitation ved Det Fysiske Fakultet, Göttingen Universitet.

"I laserkirurgi, stødbølger og komprimerede gasser i små bobler skabes med vilje i væv, ved laserimpulser, " tilføjer Salditt. "I fremtiden, sådanne processer kunne "filmes" i detaljer, ved hjælp af den metode, vi har udviklet, på et mikroskopisk niveau og i høj tidsmæssig opløsning."