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(百萬分之一秒)。實驗裝置可以被視為世界上最快的熱水器，產(chǎn)生了異國情調(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射線激光探測生物和許多其他樣品的實際用途。來自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)隊在“ 科學(xué)院院刊”(PNAS)上發(fā)表了研究報告。

研究人員在SLAC加速器實驗室使用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。“通常情況下，當(dāng)你加熱水時，分子就會變得越來越強(qiáng)烈。”在分子水平上，熱是運(yùn)動 - 熱量越快，分子的運(yùn)動就越快。這可以通過例如來自爐子的熱傳遞來實現(xiàn)，或者更直接地利用微波來實現(xiàn)，所述微波使得水分子與電磁場同步地來回擺動得更快。

“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，從而破壞了電荷的平衡。因此，突然原子會感受到一股強(qiáng)烈的排斥力并開始猛烈地移動。“在不到75飛秒，即十億分之一秒的75百萬分之一或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，它仍然保持在液態(tài)水的密度，因為原子還沒有時間顯著移動，”烏普薩拉大學(xué)的共同作者OlofJönsson說。這種充滿異國情調(diào)的物質(zhì)在地球上自然找不到。“它具有與太陽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，它比地球核心更熱。“

科學(xué)家們使用他們的測量來驗證過程的模擬。通過測量和模擬，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。“水確實是一種奇怪的液體，如果不是因為它的特殊性質(zhì)，地球上的許多東西都不會像它們那樣，特別是生命”，約森強(qiáng)調(diào)說。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計劃的未來水科學(xué)中心(CWS)內(nèi)進(jìn)行調(diào)查，所獲得的結(jié)果對那里的活動非常重要。

除了其基本意義外，該研究還具有直接的實際意義。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：“對于任何涉及X射線激光液體的實驗來說，這都很重要。” “事實上，你放入X射線束的任何樣本都會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。“對于晶體，其他研究表明，在晶體被破壞之前可以記錄信號。

在X射線脈沖開始撞擊之后，測量結(jié)果顯示水中幾乎沒有結(jié)構(gòu)變化，直到25飛秒。但是在75飛秒時，變化已經(jīng)很明顯。“這項研究讓我們更好地了解了我們對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，他是開發(fā)所用理論模型的關(guān)鍵科學(xué)家之一。“對于開發(fā)用X射線激光成像單個分子或其他微小顆粒的技術(shù)，其觀察結(jié)果也很重要。”