Die Physiker erhitzten das Wasser in 75 Femtosekunden auf 100.000 K und untersuchten warme, dichte Materie.

Nach etwa 70 Femtosekunden (Billiarden Sekundenbruchteilen) zersetzen sich die meisten Wassermoleküle bereits in Wasserstoff (weiß) und Sauerstoff (rot). Simulation: Karl Kalman, DESY / Universität Uppsala

Um die exotischen Eigenschaften von Materie unter extremen Bedingungen zu untersuchen, führten Wissenschaftler des deutschen Forschungszentrums für Teilchenphysik DESY und der Universität Uppsala (Schweden) ein Experiment zur ultraschnellen Erwärmung von Wasser mit einem Röntgenlaser (Raser) durch - und untersuchten, ob das Ergebnis mit der Simulation übereinstimmt.

Typischerweise beinhaltet kochendes Wasser die Übertragung kinetischer Energie auf Moleküle durch Vibration durch Konvektion oder Wärmestrahlung. In diesem Fall verwendeten die Physiker jedoch eine andere Methode, bei der Energie durch Ionisation durch einzelne Femtosekundenpulse eines röntgenfreien Elektronenlasers übertragen wird. Dies bewirkt eine schnelle Ionisierung mit dem Auftreten eines exotischen Plasmazustands, der als warme dichte Materie (WOM) bekannt ist.



Warme dichte Substanz (TPV) ist der Aggregatzustand einer Substanz, der in seinen Parametern zwischen einem festen und einem idealen Plasma liegt. Es ist zu dicht, um als Plasma bezeichnet zu werden, und zu heiß, um sich auf die Physik der kondensierten Materie zu beziehen. Mit anderen Worten, es ist eine Kreuzung zwischen einem Plasma und einem Feststoff. Es ist viel dichter als Plasma (von 0,01 bis 100 g pro cm³) und hat in einigen Fällen ein doppelt so spezifisches spezifisches Gewicht wie die feste Substanz, aus der es gewonnen wird. Im Allgemeinen eine Art Schrodinger-Substanz .

Das aktuelle Experiment zur Gewinnung von TPV aus Wasser wurde von einem Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Carl Caleman vom Zentrum für die Untersuchung von Freie-Elektronen-Lasern (CFEL) in DESY durchgeführt. Die Moleküle wurden mit einer simultanen Zustandsuntersuchung unter Verwendung eines Röntgenlasers mit freien Elektronen im SLAC National Accelerator Laboratory (USA) erhitzt. Razer führte extrem intensive ultrakurze Röntgenstrahlen von 6,86 keV (mehr als 10 ⁶ J / cm²) in einem Wasserstrahl durch.



"Dies ist eindeutig keine gewöhnliche Art, Wasser zu kochen ", sagt Kaleman. - Normalerweise schütteln die Moleküle beim Erhitzen immer stärker. Unsere Heizung ist grundlegend anders. Energie-Röntgenstrahlen schlagen Elektronen aus Wassermolekülen und zerstören so das Gleichgewicht der elektrischen Ladungen. Plötzlich erfahren die Atome eine starke Abstoßungskraft und beginnen sich heftig zu bewegen. "

In weniger als 75 Femtosekunden durchläuft Wasser einen Phasenübergang von Flüssigkeit zu Plasma. Plasma ist ein Materiezustand, in dem Elektronen von Atomen entfernt werden, was zu einer Art elektrisch geladenem Gas führt.

„Während der Umwandlung von Flüssigkeit in Plasma behält Wasser jedoch die Dichte der Flüssigkeit bei, da die Atome noch keine Zeit hatten, sich signifikant zu bewegen“, erklärt der Co-Autor des Experiments Olof Jönsson von der Universität Uppsala. Ein solcher exotischer Materiezustand kann im natürlichen Zustand der Erde nicht gefunden werden: „Er hat die gleichen Eigenschaften wie einige Plasmen auf der Sonne und im Gasriesen Jupiter, jedoch nur eine geringere Dichte. Inzwischen ist es heißer als der Kern der Erde. "

Wenn Sie ein Experiment mit Wasser durchführen, können Sie die Eigenschaften von Wasser in einem so exotischen Zustand besser kennenlernen. Dies ist umso wichtiger, als einige dieser Eigenschaften wirklich einzigartig sind: „Wasser ist wirklich eine seltsame Flüssigkeit, und ohne seine Eigenschaften wären viele Dinge auf der Erde nicht das, was sie sind, insbesondere das Leben“, betonte Jonsson. Wasser hat viele abnormale Eigenschaften und Eigenschaften, einschließlich Dichte, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit.

Im DESY-Forschungszentrum für Teilchenphysik planen sie, die Anomalien des Wassers im Rahmen der Projekte des künftigen Zentrums für Wasserwissenschaften, das am DESY eröffnet werden soll, genauer zu untersuchen.

Das Experiment half bei der Entwicklung von Methoden zur Verfolgung einzelner Moleküle mithilfe von Röntgenlasern. Wissenschaftler sagen, dass freie Elektronenröntgenlaser "die Tür zu einer neuen Ära der Strukturbiologie öffnen und es Ihnen ermöglichen, Biomoleküle zu schießen und Dynamiken zu verfolgen, die mit vorhandenen Methoden nicht verfügbar sind".

Der wissenschaftliche Artikel wurde am 14. Mai 2018 in der Zeitschrift PNAS veröffentlicht (doi: 10.1073 / pnas. 1711220115, pdf ).