Met behulp van de X-ray laser European XFEL, een onderzoeksteam heeft onderzocht hoe water onder extreme omstandigheden opwarmt. In het proces, de wetenschappers konden water waarnemen dat zelfs bij temperaturen van meer dan 170 graden Celsius vloeibaar bleef. Het onderzoek bracht een abnormaal dynamisch gedrag van water onder deze omstandigheden aan het licht. De resultaten van de studie, die zijn gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ), zijn van fundamenteel belang voor de planning en analyse van onderzoeken van gevoelige monsters met behulp van röntgenlasers.

Europese XFEL, een internationale onderzoeksfaciliteit, die zich uitstrekt van de DESY-site in Hamburg tot de naburige stad Schenefeld in Sleeswijk-Holstein, is de thuisbasis van de krachtigste röntgenlaser ter wereld. Het kan tot 27.000 intense röntgenflitsen per seconde genereren. Voor hun experimenten, de onderzoekers gebruikten series van elk 120 flitsen. De afzonderlijke flitsen waren minder dan een miljoenste van een seconde uit elkaar (precies 0,886 microseconden). De wetenschappers stuurden deze pulstreinen naar een dunne, met water gevulde kwartsglazen buis en observeerde de reactie van het water.

"We vroegen ons af hoe lang en hoe sterk water kan worden verwarmd in de röntgenlaser en of het zich nog steeds als water gedraagt, " legt hoofdauteur Felix Lehmkühler van DESY uit. "Bijvoorbeeld, functioneert het nog steeds als koelmiddel bij hoge temperaturen?" Een gedetailleerd begrip van oververhit water is ook essentieel voor een groot aantal onderzoeken op warmtegevoelige monsters, zoals polymeren of biologische monsters.

"Met de röntgenflitsen, we konden het water binnen een tienduizendste van een seconde opwarmen tot 172 graden Celsius zonder dat het verdampte, " meldt Lehmkühler. Zo'n kookvertraging kan normaal gesproken alleen worden waargenomen tot ongeveer 110 graden Celsius. "Maar dat is niet het enige afwijkende kenmerk, benadrukt de natuurkundige. De wetenschappers onderzochten de beweging van silicium nanobolletjes die in het water drijven als markers voor de dynamiek in het monster. "In het extreem oververhitte water, we zagen dat de beweging van siliciumdioxide-nanobolletjes significant afweek van de verwachte willekeurige Brownse moleculaire beweging. Dit duidt op een ongelijkmatige verwarming van het monster, ", zegt Lehmkühler. Bestaande theoretische modellen kunnen dit gedrag nog niet bevredigend verklaren, omdat ze niet zijn ontworpen voor water onder deze extreme omstandigheden.

Dankzij de snelle flitsvolgorde van de Europese XFEL, de onderzoekers konden het proces tot in de kleinste details observeren. "Wat de Europese XFEL uniek maakt, is de hoge herhalingssnelheid, dat is, het hoge aantal pulsen per seconde", legt co-auteur Adrian Mancuso uit, hoofd van het SPB/SFX-instrument bij het Europese XFEL waar de experimenten plaatsvonden. "En we hebben alle instrumenten in huis, zoals snelle camera's, diagnostiek en meer - om deze experimenten mogelijk te maken". de Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD), ontwikkeld door een door DESY geleid consortium, kan ongeveer 350 seriële beelden maken met tussenpozen van slechts 220 miljardste van een seconde (nanoseconden).

Door deze opstelling kon niet alleen het oververhitte water worden gegenereerd, maar stelde de wetenschappers ook in staat om nauwkeurig gecontroleerde reeksen experimenten uit te voeren met röntgenflitsen van verminderde intensiteit. "Met behulp van siliconenfilters, we hebben de energie van de pulsen verfijnd, zodat we precies konden regelen hoeveel het water werd verwarmd, " meldt Lehmkühler. "Bijvoorbeeld, we hebben kunnen bepalen hoe sterk de röntgenflitsen moeten zijn, zodat de temperatuur van een waterig monster min of meer constant blijft".

Hierdoor kunnen onderzoekers experimenten met warmtegevoelige monsters beter plannen bij de röntgenlaser, bijvoorbeeld. Anderzijds, het verwarmingseffect kan ook gericht worden gebruikt als het exacte verloop ervan bekend is. Het team is van plan om deze effecten ook verder te onderzoeken in het kader van het Centre for Molecular Water Science (CMWS), die momenteel wordt opgezet bij DESY.

"Onze resultaten bieden niet alleen de verrassende observatie van een abnormale dynamiek, maar maak ook een gedetailleerd beeld van hoe waterige monsters opwarmen in de röntgenlaser, " vat hoofdonderzoeker Gerhard Grübel van DESY samen, een van de CMWS-coördinatoren. "In aanvulling, de onderzoeken bewijzen dat dergelijke seriële beelden mogelijk zijn bij de Europese XFEL en dat de flitsen ervan extreem uniform zijn in elke pulstrein".