Wetenschappers hebben een krachtige röntgenlaser gebruikt om water te verwarmen van kamertemperatuur tot 100, 000 graden Celsius in minder dan een 10e van een picoseconde (miljoenste van een miljoenste van een seconde). De experimentele opstelling, die gezien kan worden als 's werelds snelste waterverwarmer, produceerde een exotische staat van water waarvan onderzoekers hopen meer te weten te komen over de bijzondere eigenschappen van water. De waarnemingen hebben ook praktisch nut voor het sonderen van biologische en vele andere monsters met röntgenlasers. Het team van Carl Caleman van het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) van DESY en de Universiteit van Uppsala (Zweden) rapporteert zijn bevindingen in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

De onderzoekers gebruikten de röntgenvrije-elektronenlaser Linac Coherent Light Source LCLS in het SLAC National Accelerator Laboratory in de VS om extreem intense en ultrakorte flitsen van röntgenstralen op een waterstraal te schieten. "Het is niet de gebruikelijke manier om je water te koken, "zei Caleman. "Normaal gesproken, als je water verwarmt, de moleculen zullen alleen maar sterker en sterker worden geschud." Op moleculair niveau, warmte is beweging - hoe heter, hoe sneller de beweging van de moleculen. Dit kan worden bereikt, bijvoorbeeld, via warmteoverdracht van een kachel, of directer met microgolven die ervoor zorgen dat de watermoleculen steeds sneller heen en weer zwaaien in de pas met het elektromagnetische veld.

"Onze verwarming is fundamenteel anders, " legde Caleman uit. "De energetische röntgenstralen slaan elektronen uit de watermoleculen, waardoor de balans van elektrische ladingen wordt vernietigd. Dus, plotseling voelen de atomen een sterke afstotende kracht en beginnen ze heftig te bewegen." In minder dan 75 femtoseconden, dat is 75 miljoenste van een miljardste van een seconde of 0,000 000 000 000 075 seconden, het water gaat door een faseovergang van vloeistof naar plasma. Een plasma is een toestand van materie waarbij de elektronen van de atomen zijn verwijderd, waardoor een soort elektrisch geladen gas ontstaat.

"Maar terwijl het water van vloeistof in plasma verandert, het blijft nog steeds op de dichtheid van vloeibaar water, omdat de atomen nog geen tijd hadden om significant te bewegen, " zei co-auteur Olof Jönsson van de Universiteit van Uppsala. Deze exotische toestand van materie is niets dat van nature op aarde kan worden gevonden. "Het heeft vergelijkbare kenmerken als sommige plasma's in de zon en de gasreus Jupiter, maar heeft een lagere dichtheid. In de tussentijd, het is heter dan de kern van de aarde."

De wetenschappers gebruikten hun metingen om simulaties van het proces te valideren. Samen, de metingen en simulaties laten toe om deze exotische toestand van water te bestuderen om meer te weten te komen over de algemene eigenschappen van water. "Water is echt een vreemde vloeistof, en als het niet vanwege zijn eigenaardige kenmerken was, veel dingen op aarde zouden niet zijn zoals ze zijn, in het bijzonder het leven, " benadrukte Jönsson. Water vertoont veel anomalieën, inclusief de dichtheid, warmtecapaciteit en thermische geleidbaarheid. Het zijn deze anomalieën die zullen worden onderzocht in het toekomstige Centre for Water Science (CWS), gepland bij DESY, en de behaalde resultaten zijn van groot belang voor de activiteiten daar.

Afgezien van de fundamentele betekenis ervan, de studie heeft ook directe praktische betekenis. Röntgenlasers worden vaak gebruikt om de atomaire structuur van kleine monsters te onderzoeken. "Het is belangrijk voor elk experiment met vloeistoffen bij röntgenlasers, " zei co-auteur Kenneth Beyerlein van CFEL. "In feite, elk monster dat je in de röntgenstraal stopt, wordt vernietigd op de manier die we hebben waargenomen. Als je iets analyseert dat geen kristal is, daar moet je rekening mee houden."

De metingen tonen bijna geen structurele veranderingen in het water tot 25 femtoseconden nadat de röntgenpuls het begint te raken. Maar bij 75 femtoseconden, veranderingen zijn al zichtbaar. "De studie geeft ons een beter begrip van wat we doen met verschillende monsters, " verklaarde co-auteur Nicusor Timneanu van de Universiteit van Uppsala, een van de belangrijkste wetenschappers die het gebruikte theoretische model ontwikkelde. "De waarnemingen zijn ook belangrijk om te overwegen voor de ontwikkeling van technieken om afzonderlijke moleculen of andere kleine deeltjes met röntgenlasers in beeld te brengen."