Les physiciens ont chauffé l'eau à 100 000 K en 75 femtosecondes et examiné la matière dense et chaude.

Après environ 70 femtosecondes (quadrillions de fractions de seconde), la plupart des molécules d'eau se décomposent déjà en hydrogène (blanc) et oxygène (rouge). Simulation: Karl Kalman, DESY / Université d'Uppsala

Pour étudier les propriétés exotiques de la matière dans des conditions extrêmes, des scientifiques du centre allemand de recherche en physique des particules DESY et de l'Université d'Uppsala (Suède) ont mené une expérience sur le chauffage ultra-rapide de l'eau avec un laser à rayons X (raser) - et ont cherché à voir si le résultat correspond à la simulation.

En règle générale, l'eau bouillante implique le transfert d'énergie cinétique aux molécules par vibration par convection ou rayonnement thermique. Mais dans ce cas, les physiciens ont utilisé une méthode différente, où l'énergie est transmise par ionisation par des impulsions femtosecondes uniques d'un laser à électrons libres à rayons X. Cela provoque une ionisation rapide avec l'apparition d'un état de plasma exotique connu sous le nom de matière dense chaude (WOM).



La substance dense chaude (TPV) est l'état global d'une substance qui, dans ses paramètres, se situe entre un plasma solide et un plasma idéal. Il est trop dense pour être décrit comme un plasma et trop chaud pour être lié à la physique de la matière condensée. En d'autres termes, c'est un croisement entre un plasma et un solide. Il est beaucoup plus dense que le plasma (de 0,01 à 100 g par cm³) et, dans certains cas, il a une gravité spécifique deux fois plus grande que la substance solide à partir de laquelle il est obtenu. En général, une sorte de substance Schrodinger .

L'expérience actuelle pour obtenir le TPV à partir de l'eau a été réalisée par une équipe de scientifiques dirigée par Carl Caleman du Centre pour l'étude des lasers à électrons libres (CFEL) à DESY. Les molécules ont été chauffées avec une étude d'état simultanée en utilisant un laser à rayons X à électrons libres au SLAC National Accelerator Laboratory (USA). Razer a effectué des sursauts ultra-courts extrêmement intenses de 6,86 keV (plus de 10 ⁶ J / cm²) dans un courant d'eau.



«Ce n'est clairement pas un moyen ordinaire de faire bouillir l'eau » , dit Kaleman. - Habituellement, lorsqu'elles sont chauffées, les molécules tremblent simplement de plus en plus fort. Notre chauffage est fondamentalement différent. Les rayons X énergétiques chassent les électrons des molécules d'eau, détruisant ainsi l'équilibre des charges électriques. Soudain, les atomes subissent une forte force répulsive et commencent à se déplacer violemment. "

En moins de 75 femtosecondes, l'eau subit une transition de phase du liquide au plasma. Le plasma est un état de la matière dans lequel les électrons sont retirés des atomes, ce qui conduit à une sorte de gaz électriquement chargé.

"Mais lors de la conversion du liquide en plasma, l'eau conserve toujours la densité du liquide, car les atomes n'ont pas encore eu le temps de se déplacer de manière significative", explique le co-auteur de l'expérience Olof Jönsson de l'Université d'Uppsala. Un tel état de matière exotique ne se retrouve pas à l'état naturel sur Terre: «Il a les mêmes caractéristiques que certains plasmas du Soleil et du géant gazeux Jupiter, mais seulement une densité plus faible. Pendant ce temps, il fait plus chaud que le cœur de la Terre. "

Mener une expérience sur l'eau vous permet de mieux connaître les propriétés de l'eau dans un état aussi exotique. Ceci est d'autant plus important, étant donné certaines propriétés vraiment uniques de cette substance: «L'eau est vraiment un liquide étrange, et sans ses caractéristiques, alors beaucoup de choses sur Terre ne seraient pas ce qu'elles sont, en particulier la vie», a souligné Jonsson. L'eau a de nombreuses caractéristiques et propriétés anormales, notamment la densité, la capacité thermique et la conductivité thermique.

Au DESY Particle Physics Research Center, ils prévoient d'étudier de plus près les anomalies de l'eau dans le cadre des projets du futur Centre for Water Science, dont l'ouverture est prévue à DESY.

L'expérience a permis de développer des méthodes de suivi de molécules uniques à l'aide de lasers à rayons X. Les scientifiques disent que les lasers à rayons X à électrons libres "ouvrent la porte à une nouvelle ère de biologie structurale, vous permettant de tirer des biomolécules et de suivre les dynamiques qui ne sont pas disponibles en utilisant les méthodes existantes."

L'article scientifique a été publié le 14 mai 2018 dans la revue PNAS (doi: 10.1073 / pnas. 1711220115, pdf ).