De snelste ketel ter wereld

X-ray laser creëert een exotische watertoestand door ultrasnelle verwarming

Met een röntgenlaserpuls verwarmden onderzoekers water extreem snel - waardoor een exotische toestand van materie ontstond. © SLAC National Accelerator Facility
voorlezen

In 75 femtoseconden tot 100.000 graden: met een krachtige röntgenlaser hebben onderzoekers water zo snel en sterk verwarmd dat de vloeistof in een exotische toestand van materie terechtkwam. Het resultaat was een plasma dat heter is dan de kern van de aarde. Desondanks handhaafde het de relatief lage dichtheid van het vloeibare water. Deze exotische staat komt niet van nature op aarde voor, zoals de natuurkundigen melden. Maar het biedt waardevolle inzichten in de ongewone aard van het water.

Zo alomtegenwoordig en "normaal" als water ons lijkt, zo ongebruikelijk is de natheid in chemisch-fysische termen. Bijvoorbeeld, wanneer bevroren, vormt water ongeveer een dozijn verschillende soorten ijs en kan vloeibaar blijven, zelfs bij min 40 graden. Nog exotischer is zijn dichtheidafwijking en het feit dat water eigenlijk uit twee vloeistoffen bestaat.

"Water is echt een rare vloeistof, en zonder zijn speciale eigenschappen zouden veel dingen op aarde niet zijn wat ze zijn - vooral het leven", zegt Olof Jönsson van de Universiteit van Uppsala.

X-ray laser als "waterkoker"

Jönsson en zijn collega's hebben nu een andere exotische staat van water gecreëerd met de "snelste ketel ter wereld" - de LCLS vrije-elektronenlaser in het Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). De ultrasterke röntgenpulsen kunnen water extreem snel verwarmen: de onderzoekers brachten hun watermonster in slechts 75 femtoseconden van kamertemperatuur naar 100.000 graden Celsius.

"Normaal schud je watermoleculen steeds sterker en sterker wanneer je water verwarmt", legt senior auteur Carl Caleman van de Duitse Electron Synchrotron DESY in Hamburg uit. Omdat hoe heter een stof wordt, hoe meer de moleculen bewegen. "Onze verwarming is heel anders: de hoogenergetische röntgenflits slaat de elektronen uit de watermoleculen en vernietigt zo de balans van de elektrische lading", legt Calemann uit. "De atomen voelen plotseling een sterke afstotende kracht en beginnen heftig te bewegen."

Na bijna 70 biljoen seconden (femtoseconden) zijn de watermoleculen al grotendeels gescheiden in waterstof (wit) en zuurstof (rood). Cal Carl Caleman, CFEL / DESY / University Uppsala

Exotisch plasma

Het resultaat: het water passeert in een oogwenk een fasetransformatie - het verandert van een vloeistof in een plasma. Uit de waarnemingen bleek dat er in de eerste 25 femtoseconden nauwelijks structurele veranderingen optreden. Maar dan verandert het monster bijna abrupt: na 75 femtoseconden zijn de elektronen vrijgekomen van de atomen, zodat een 100.000 graden heet, elektrisch geladen gas wordt geproduceerd.

Het ongebruikelijke eraan: "Hoewel een vloeistof wordt gemaakt uit het vloeibare water, behoudt deze de dichtheid van het vloeibare water, omdat de atomen nog geen tijd hadden om zich aanzienlijk te bewegen. "Verklaart J nsson. Deze exotische toestand komt niet van nature op aarde voor. "Het heeft vergelijkbare eigenschappen als sommige plasma's in de zon en gasreus Jupiter, maar heeft een lagere dichtheid. Hij is heter dan de kern van de aarde. "

Betekenis ook voor andere röntgenlaser-experimenten

Met de huidige metingen en bijbehorende simulaties kunnen de onderzoekers deze exotische toestand nader onderzoeken. Dit helpt om deze, maar ook algemene eigenaardigheden van het water beter te begrijpen. Maar het belang van het experiment gaat verder dan dat, zoals de onderzoekers benadrukken: "Ze zijn belangrijk voor elk röntgenlaser-experiment met vloeistoffen", zegt co-auteur Kenneth Beyerlein van DESY.

"In feite wordt elk monster dat u in de röntgenstraal houdt vernietigd op de manier die wij waarnemen. Hiermee moet rekening worden gehouden bij het onderzoek van alle niet-kristallijne monsters. "De waarnemingen zijn daarom ook belangrijk voor de ontwikkeling van technieken voor het onderzoek van afzonderlijke moleculen of andere kleine deeltjes met röntgenlasers. (Proceedings van de National Academy of Sciences, 2018; doi: 10.1073 / pnas.1711220115)

(Duitse elektronensynchrotron DESY, 15.05.2018 - NPO)