Después de aproximadamente 70 femtosegundos (billones de fracciones de segundo), la mayoría de las moléculas de agua ya se descomponen en hidrógeno (blanco) y oxígeno (rojo). Simulación: Karl Kalman, DESY / Universidad de UppsalaPara estudiar las propiedades exóticas de la materia en condiciones extremas, los científicos del centro de investigación alemán de física de partículas DESY y la Universidad de Uppsala (Suecia)
realizaron un experimento sobre el calentamiento ultrarrápido de agua con un láser de rayos X (raser), y observaron si el resultado coincide con la simulación.
Por lo general, el agua hirviendo implica transferir energía cinética a las moléculas a través de la vibración a través de la convección o la radiación de calor. Pero en este caso, los físicos usaron un método diferente, donde la energía se transmite a través de la ionización por pulsos de femtosegundos de un láser de electrones sin rayos X. Esto causa una rápida ionización con la aparición de un estado plasmático exótico conocido como
materia cálida y densa (WOM).
La sustancia densa cálida (TPV) es el estado agregado de una sustancia, que en sus parámetros se encuentra entre un plasma sólido y uno ideal. Es demasiado denso para ser descrito como un plasma, y demasiado caliente para relacionarse con la física de la materia condensada. En otras palabras, es un cruce entre un plasma y un sólido. Es mucho más denso que el plasma (de 0,01 a 100 g por cm³), y en algunos casos tiene un peso específico dos veces mayor que la sustancia sólida de la que se obtiene. En general, una especie de
sustancia Schrodinger .
El experimento actual para obtener TPV del agua fue llevado a cabo por un equipo de científicos dirigido por Carl Caleman del Centro para el Estudio de Láseres Electrónicos Libres (CFEL) en DESY. Las moléculas se calentaron con una investigación de estado simultánea usando un láser de rayos X de electrones libre en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC (EE. UU.). Razer realizó ráfagas de rayos X ultracortos extremadamente intensas de 6,86 keV (más de 10
6 J / cm²) en una corriente de agua.
"Claramente, esta no es una forma común de hervir agua
" ,
dice Kaleman. - Por lo general, cuando se calientan, las moléculas simplemente se agitan más y más fuerte. Nuestra calefacción es fundamentalmente diferente. Los rayos X de energía eliminan los electrones de las moléculas de agua, destruyendo así el equilibrio de las cargas eléctricas. De repente, los átomos experimentan una fuerte fuerza repulsiva y comienzan a moverse violentamente ".
En menos de 75 femtosegundos, el agua experimenta una transición de fase de líquido a plasma. El plasma es un estado de la materia en el que los electrones se eliminan de los átomos, lo que conduce a un tipo de gas cargado eléctricamente.
"Pero durante la conversión de líquido a plasma, el agua aún retiene la densidad del líquido, porque los átomos aún no han tenido tiempo de moverse significativamente", explica el coautor del experimento Olof Jönsson de la Universidad de Uppsala. Un estado de la materia tan exótico no se puede encontrar en el estado natural de la Tierra: “Tiene las mismas características que algunos plasmas en el Sol y en el gigante gaseoso Júpiter, pero solo una densidad más baja. Mientras tanto, hace más calor que el núcleo de la Tierra ".
Realizar un experimento sobre el agua le permite conocer mejor las propiedades del agua en un estado tan exótico. Esto es aún más importante, dadas algunas propiedades verdaderamente únicas de esta sustancia: "El agua es realmente un líquido extraño, y si no fuera por sus características, muchas cosas en la Tierra no serían lo que son, especialmente la vida", enfatizó Jonsson. El agua tiene muchas características y propiedades anormales, incluida la densidad, la capacidad térmica y la conductividad térmica.
En el Centro de Investigación de Física de Partículas de DESY, planean estudiar más de cerca las anomalías del agua como parte de los proyectos del futuro Centro de Ciencias del Agua, que está programado para abrir en DESY.
El experimento ayudó a desarrollar métodos para rastrear moléculas individuales utilizando láseres de rayos X. Los científicos dicen que los láseres de rayos X de electrones libres "abren la puerta a una nueva era en biología estructural, permitiendo que las biomoléculas sean capturadas y la dinámica no esté disponible utilizando los métodos existentes".
El artículo científico fue
publicado el 14 de mayo de 2018 en la revista
PNAS (doi: 10.1073 / pnas. 1711220115,
pdf ).