世界上最快的熱水器-不到十分之一皮秒

科學(xué)家們使用強(qiáng)大的X射線激光器將水從室溫加熱到100,000攝氏度，不到十分之一皮秒(百萬(wàn)分之一秒)。實(shí)驗(yàn)裝置可以被視為世界上最快的熱水器，產(chǎn)生了異國(guó)情調(diào)的水，研究人員希望從中了解更多有關(guān)地球最重要液體的特殊特征。該觀察結(jié)果還具有用X射線激光探測(cè)生物和許多其他樣品的實(shí)際用途。來(lái)自DESY和烏普薩拉大學(xué)(瑞典)自由電子激光科學(xué)中心(CFEL)的Carl Caleman團(tuán)隊(duì)在“ 科學(xué)院院刊”(PNAS)上發(fā)表了研究報(bào)告。

研究人員在SLAC加速器實(shí)驗(yàn)室使用X射線自由電子激光Linac相干光源LCLS，在水射流下拍攝極其強(qiáng)烈和超短的X射線閃光。“這當(dāng)然不是煮沸水的常用方法，”卡萊曼說(shuō)。“通常情況下，當(dāng)你加熱水時(shí)，分子就會(huì)變得越來(lái)越強(qiáng)烈。”在分子水平上，熱是運(yùn)動(dòng) - 熱量越快，分子的運(yùn)動(dòng)就越快。這可以通過(guò)例如來(lái)自爐子的熱傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者更直接地利用微波來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述微波使得水分子與電磁場(chǎng)同步地來(lái)回?cái)[動(dòng)得更快。

“我們的供暖根本不同”，Caleman解釋道。“高能X射線將電子從水分子中沖出來(lái)，從而破壞了電荷的平衡。因此，突然原子會(huì)感受到一股強(qiáng)烈的排斥力并開(kāi)始猛烈地移動(dòng)。“在不到75飛秒，即十億分之一秒的75百萬(wàn)分之一或0.000 000 000 075秒，水從液體到相變等離子體。等離子體是物質(zhì)的狀態(tài)，其中電子已從原子中移除，導(dǎo)致一種帶電氣體。

“但是當(dāng)水從液體轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體時(shí)，它仍然保持在液態(tài)水的密度，因?yàn)樵舆€沒(méi)有時(shí)間顯著移動(dòng)，”烏普薩拉大學(xué)的共同作者OlofJönsson說(shuō)。這種充滿異國(guó)情調(diào)的物質(zhì)在地球上自然找不到。“它具有與太陽(yáng)中的一些等離子體和氣體巨星木星相似的特征，但密度較低。與此同時(shí)，它比地球核心更熱。“

科學(xué)家們使用他們的測(cè)量來(lái)驗(yàn)證過(guò)程的模擬。通過(guò)測(cè)量和模擬，他們可以研究這種奇特的水狀態(tài)，以便更多地了解水的一般特性。“水確實(shí)是一種奇怪的液體，如果不是因?yàn)樗奶厥庑再|(zhì)，地球上的許多東西都不會(huì)像它們那樣，特別是生命”，約森強(qiáng)調(diào)說(shuō)。水顯示出許多異常，包括其密度，熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)。正是這些異常將在DESY計(jì)劃的未來(lái)水科學(xué)中心(CWS)內(nèi)進(jìn)行調(diào)查，所獲得的結(jié)果對(duì)那里的活動(dòng)非常重要。

除了其基本意義外，該研究還具有直接的實(shí)際意義。X射線激光通常用于研究微小樣品的原子結(jié)構(gòu)。CFEL的共同作者Kenneth Beyerlein說(shuō)：“對(duì)于任何涉及X射線激光液體的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，這都很重要。” “事實(shí)上，你放入X射線束的任何樣本都會(huì)以我們觀察到的方式被破壞。如果你分析任何不是晶體的東西，你必須考慮這個(gè)。“對(duì)于晶體，其他研究表明，在晶體被破壞之前可以記錄信號(hào)。

在X射線脈沖開(kāi)始撞擊之后，測(cè)量結(jié)果顯示水中幾乎沒(méi)有結(jié)構(gòu)變化，直到25飛秒。但是在75飛秒時(shí)，變化已經(jīng)很明顯。“這項(xiàng)研究讓我們更好地了解了我們對(duì)不同樣品所做的工作，”共同作者烏普薩拉大學(xué)的Nicusor Timneanu解釋說(shuō)，他是開(kāi)發(fā)所用理論模型的關(guān)鍵科學(xué)家之一。“對(duì)于開(kāi)發(fā)用X射線激光成像單個(gè)分子或其他微小顆粒的技術(shù)，其觀察結(jié)果也很重要。”