Najszybszy podgrzewacz wody. Do 100 000 stopni w mniej niż pikosekundę

Potężny laser rentgenowski został wykorzystany do podgrzania wody od temperatury pokojowej do 100 000 stopni Celsjusza w czasie krótszym niż 1/10 pikosekundy. W czasie eksperymentu powstał egzotyczny stan wody, a naukowcy mają nadzieję wykorzystać go do badań nad właściwościami życiodajnego płynu. Badanie tego typu będą miały też praktyczne przełożenie na techniki badania próbek biologicznych i innych materiałów za pomocą laserów z promieniowaniem X.

Badania zostały przeprowadzone przez zespół Carla Calemana z DESY (Niemiecki Synchrotron Elektronowy) oraz szwedzkiego Uniwersytetu w Uppsali, który wykorzystał amerykański laser Linac Coherent Light Source (LCLS) ze SLAC National Accelerator Laboratory. Podczas eksperymentów w stronę strumienia wody wystrzeliwano ultrakrótkie intensywne promienie. To nie jest zwykły sposób podgrzewania wody. Normalnie, gdy podgrzewasz wodę jej molekuły trzęsą się coraz silniej i silniej, mówi Caleman. Z molekularnego punktu widzenia ciepło to ruch molekuł. Im wyższa temperatura tym szybszy ruch molekuł.

Nasz sposób podgrzewania jest całkowicie różny. Intensywne promieniowanie X wyrzuca elektrony z molekuł wody i w ten sposób zaburza ich równowagę elektryczną. Więc nagle atomy odczuwają silny odrzut i zaczyna się gwałtownie poruszać, wyjaśnia uczony. W czasie krótszym niż 75 femtosekund (0,000000000000075 sekundy) woda przechodzi przemianę fazową z cieczy w plazmę, czy rodzaj elektrycznie naładowanego gazu. Jednak podczas tego przejścia woda wciąż ma gęstość ciekłej wody, gdyż jej atomy nie miały czasu, by się od siebie odsunąć, mówi współautor badań, Olof Jonsson z Uniwersytetu w Uppsali. Powstaje egzotyczny stan materii, który nie występuje na Ziemi. Ma on podobne cechy jak część plazmy w Słońcu czy w gazowym olbrzymie Jowiszu, ale ma mniejszą gęstość. Jednocześnie jest cieplejsza niż jądro Ziemi.

Woda to dziwny płyn i gdyby nie to, że ma niezwykłe właściwości, wiele rzeczy na Ziemi nie byłoby takie, jakimi je znamy. Dotyczy to szczególnie życia, podkreśla Jonsson. Woda różni się od innych płynów gęstością, pojemnością cieplną czy przewodnictwem cieplnym. W przyszłości ten rozpowszechniony na Ziemi i jednocześnie tak niezwykły płyn będzie przedmiotem badań w planowym przez DESY Centrum Wiedzy o Wodzie.

Najnowsze badania wykazały, że po uderzeniu bardzo silnym impulsem promieniowania przez 25 femtosekund w wodzie niemal nie zachodziły żadne zmiany strukturalne. Ale już po 75 femtosekundach zmiany takie były ewidentne. Naukowcy zauważają, że badania te pokazują, iż badanie za pomocą silnych laserów rentgenowskich wszystkiego, co nie jest kryształem, wiąże się ze zniszczeniem próbki. Trzeba brać to pod uwagę przy rozwijaniu technik obrazowania za pomocą laserów X pojedynczych molekuł i innych niewielkich próbek, dodaje Nicusor Timneanu z Uniwersytetu w Uppsali.

woda laser promienie X promienie rentgenowskie