世界上最快的热水器-不到十分之一皮秒

科学家们使用强大的X射线激光器将水从室温加热到100,000摄氏度,不到十分之一皮秒(百万分之一秒)。实验装置可以被视为世界上最快的热水器,产生了异国情调的水,研究人员希望从中了解更多有关地球最重要液体的特殊特征。该观察结果还具有用X射线激光探测生物和许多其他样品的实际用途。来自DESY和乌普萨拉大学(瑞典)自由电子激光科学中心(CFEL)的Carl Caleman团队在“ 美国国家科学院院刊”(PNAS)上发表了研究报告。

研究人员在美国SLAC国家加速器实验室使用X射线自由电子激光Linac相干光源LCLS,在水射流下拍摄极其强烈和超短的X射线闪光。“这当然不是煮沸水的常用方法,”卡莱曼说。“通常情况下,当你加热水时,分子就会变得越来越强烈。”在分子水平上,热是运动 - 热量越快,分子的运动就越快。这可以通过例如来自炉子的热传递来实现,或者更直接地利用微波来实现,所述微波使得水分子与电磁场同步地来回摆动得更快。

“我们的供暖根本不同”,Caleman解释道。“高能X射线将电子从水分子中冲出来,从而破坏了电荷的平衡。因此,突然原子会感受到一股强烈的排斥力并开始猛烈地移动。“在不到75飞秒,即十亿分之一秒的75百万分之一或0.000 000 000 075秒,水从液体到相变等离子体。等离子体是物质的状态,其中电子已从原子中移除,导致一种带电气体。

“但是当水从液体转变为等离子体时,它仍然保持在液态水的密度,因为原子还没有时间显着移动,”乌普萨拉大学的共同作者OlofJönsson说。这种充满异国情调的物质在地球上自然找不到。“它具有与太阳中的一些等离子体和气体巨星木星相似的特征,但密度较低。与此同时,它比地球核心更热。“

科学家们使用他们的测量来验证过程的模拟。通过测量和模拟,他们可以研究这种奇特的水状态,以便更多地了解水的一般特性。“水确实是一种奇怪的液体,如果不是因为它的特殊性质,地球上的许多东西都不会像它们那样,特别是生命”,约森强调说。水显示出许多异常,包括其密度,热容量和导热系数。正是这些异常将在DESY计划的未来水科学中心(CWS)内进行调查,所获得的结果对那里的活动非常重要。

除了其基本意义外,该研究还具有直接的实际意义。X射线激光通常用于研究微小样品的原子结构。CFEL的共同作者Kenneth Beyerlein说:“对于任何涉及X射线激光液体的实验来说,这都很重要。” “事实上,你放入X射线束的任何样本都会以我们观察到的方式被破坏。如果你分析任何不是晶体的东西,你必须考虑这个。“对于晶体,其他研究表明,在晶体被破坏之前可以记录信号。

在X射线脉冲开始撞击之后,测量结果显示水中几乎没有结构变化,直到25飞秒。但是在75飞秒时,变化已经很明显。“这项研究让我们更好地了解了我们对不同样品所做的工作,”共同作者乌普萨拉大学的Nicusor Timneanu解释说,他是开发所用理论模型的关键科学家之一。“对于开发用X射线激光成像单个分子或其他微小颗粒的技术,其观察结果也很重要。”

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