بعد حوالي 70 فمتوثانية (كوادريليون جزء من الثانية) ، تتحلل معظم جزيئات الماء بالفعل إلى هيدروجين (أبيض) وأكسجين (أحمر). المحاكاة: كارل كالمان ، DESY / جامعة أوبسالالدراسة الخصائص الغريبة للمادة في الظروف القاسية ، أجرى علماء من مركز الأبحاث الألماني لفيزياء الجسيمات DESY وجامعة أوبسالا (السويد)
تجربة على التسخين فائق السرعة للماء باستخدام أشعة الليزر بالأشعة السينية (Raser) - وتطلعوا لمعرفة ما إذا كانت النتيجة تتطابق مع المحاكاة.
عادةً ما ينطوي الماء المغلي على نقل الطاقة الحركية إلى الجزيئات من خلال الاهتزاز من خلال الحمل الحراري أو الإشعاع الحراري. ولكن في هذه الحالة ، استخدم الفيزيائيون طريقة مختلفة ، حيث تنتقل الطاقة من خلال التأين بواسطة نبضات الفيمتو ثانية المنفردة من ليزر إلكترون خالٍ من الأشعة السينية. هذا يسبب التأين السريع مع ظهور حالة بلازما غريبة تعرف باسم
المادة الكثيفة الدافئة (WOM).
المادة الكثيفة الدافئة (TPV) هي الحالة الإجمالية للمادة ، والتي تكون في معلماتها بين البلازما الصلبة والمثالية. إنه كثيف للغاية بحيث لا يمكن وصفه بالبلازما ، وهو ساخن جدًا لدرجة أنه لا يرتبط بفيزياء المادة المكثفة. وبعبارة أخرى ، هو تقاطع بين البلازما والصلبة. وهي أكثر كثافة من البلازما (من 0.01 إلى 100 جم لكل سم مكعب) ، وفي بعض الحالات تكون جاذبيتها ضعف حجم المادة الصلبة التي يتم الحصول عليها منها. بشكل عام ، نوع من
مادة Schrodinger .
تم تنفيذ التجربة الحالية للحصول على TPV من الماء بواسطة فريق من العلماء بقيادة كارل كاليمان من مركز دراسة الليزر الإلكتروني المجاني (CFEL) في DESY. تم تسخين الجزيئات من خلال تحقيق حالة متزامن باستخدام ليزر أشعة سينية إلكتروني مجاني في مختبر SLAC الوطني للمسرعات (الولايات المتحدة الأمريكية). نفذت شركة Razer رشقات الأشعة السينية شديدة القصر للغاية البالغة 6.86 كيلو فولت (أكثر من 10
6 J / cm²) في تيار من الماء.
يقول كاليمان
: "من الواضح أن هذه ليست طريقة عادية لغلي الماء
" . - عادة ، عند تسخينها ، تهتز الجزيئات ببساطة أكثر وأكثر قوة. تدفئة لدينا مختلفة جذريا. تزيل أشعة الطاقة X الإلكترونات من جزيئات الماء ، وبالتالي تدمر توازن الشحنات الكهربائية. فجأة ، تتعرض الذرات لقوة نفور قوية وتبدأ في التحرك بعنف ".
في أقل من 75 فمتوثانية ، يمر الماء بمرحلة انتقال من السائل إلى البلازما. البلازما هي حالة المادة التي يتم فيها إزالة الإلكترونات من الذرات ، مما يؤدي إلى نوع من الغاز المشحون كهربائيًا.
يوضح المؤلف المشارك للتجربة أولوف جونسون من جامعة أوبسالا: "لكن أثناء تحويل السائل إلى بلازما ، لا يزال الماء يحتفظ بكثافة السائل ، لأن الذرات لم يكن لديها الوقت الكافي للتحرك بشكل ملحوظ". لا يمكن العثور على مثل هذه الحالة الغريبة للمادة في الحالة الطبيعية على الأرض: "لها نفس خصائص بعض البلازما على الشمس وفي المشتري العملاق للغاز ، ولكن بكثافة أقل فقط. وفي الوقت نفسه ، فهي أكثر حرارة من قلب الأرض ".
يسمح لك إجراء تجربة على المياه بالتعرف بشكل أفضل على خصائص المياه في مثل هذه الحالة الغريبة. هذا هو الأمر الأكثر أهمية ، بالنظر إلى بعض الخصائص الفريدة حقًا لهذه المادة: "الماء هو حقًا سائل غريب ، وإذا لم يكن لخصائصه ، فإن الكثير من الأشياء على الأرض لن تكون كما هي ، وخاصة الحياة" ، شدد جونسون. تتميز المياه بالعديد من الخصائص والخصائص غير الطبيعية ، بما في ذلك الكثافة والقدرة الحرارية والتوصيل الحراري.
في مركز أبحاث فيزياء الجسيمات DESY ، يخططون لدراسة الحالات الشاذة للمياه عن كثب كجزء من مشاريع المركز المستقبلي لعلوم المياه ، والذي من المقرر افتتاحه في DESY.
ساعدت التجربة على تطوير طرق لتتبع الجزيئات المفردة باستخدام أشعة الليزر. يقول العلماء أن أشعة الأشعة السينية الإلكترونية المجانية "تفتح الباب لعصر جديد من علم الأحياء الهيكلي ، مما يسمح لك بتصوير الجزيئات الحيوية وتتبع الديناميات غير المتاحة باستخدام الطرق الحالية."
تم
نشر المقال العلمي في 14 مايو 2018 في مجلة
PNAS (doi: 10.1073 / pnas. 1711220115 ،
pdf ).