Setelah sekitar 70 femtoseconds (fraksi kuadriliun detik), sebagian besar molekul air sudah terurai menjadi hidrogen (putih) dan oksigen (merah). Simulasi: Karl Kalman, DESY / Universitas UppsalaUntuk mempelajari sifat eksotis materi dalam kondisi ekstrem, para ilmuwan dari pusat penelitian Jerman untuk fisika partikel DESY dan Universitas Uppsala (Swedia)
melakukan percobaan pada pemanasan ultra-cepat air dengan sinar-X laser (raser) - dan melihat apakah hasilnya sesuai dengan simulasi.
Biasanya, air mendidih melibatkan transfer energi kinetik ke molekul melalui getaran melalui konveksi atau radiasi panas. Tetapi dalam kasus ini, fisikawan menggunakan metode yang berbeda, di mana energi ditransmisikan melalui ionisasi oleh pulsa femtosecond tunggal dari laser elektron bebas sinar-X. Hal ini menyebabkan ionisasi cepat dengan munculnya keadaan plasma eksotis yang dikenal sebagai
zat padat (WOM).
Zat padat padat (TPV) adalah keadaan agregat suatu zat, yang dalam parameternya adalah antara plasma padat dan ideal. Terlalu padat untuk digambarkan sebagai plasma, dan terlalu panas untuk berhubungan dengan fisika benda terkondensasi. Dengan kata lain, itu adalah persilangan antara plasma dan padatan. Ini jauh lebih padat daripada plasma (dari 0,01 hingga 100 g per cm³), dan dalam beberapa kasus memiliki gravitasi spesifik dua kali lebih besar dari zat padat yang darinya diperoleh. Secara umum, semacam
zat Schrodinger .
Eksperimen saat ini untuk mendapatkan TPV dari air dilakukan oleh tim ilmuwan yang dipimpin oleh Carl Caleman dari Pusat Studi Laser Elektron Gratis (CFEL) di DESY. Molekul dipanaskan dengan penyelidikan keadaan simultan menggunakan laser x-ray elektron gratis di SLAC National Accelerator Laboratory (USA). Razer melakukan ledakan ultrashort X-ray yang sangat intens sebesar 6,86 keV (lebih dari 10
6 J / cm²) dalam aliran air.
"Ini jelas bukan cara biasa untuk merebus air,
" kata Kaleman. - Biasanya, ketika dipanaskan, molekul-molekul hanya bergoyang semakin keras. Pemanasan kami pada dasarnya berbeda. Sinar-X energi mengetuk elektron dari molekul air, sehingga menghancurkan keseimbangan muatan listrik. Tiba-tiba, atom-atom mengalami gaya tolak yang kuat dan mulai bergerak dengan keras. "
Dalam waktu kurang dari 75 femtoseconds, air mengalami transisi fase dari cair ke plasma. Plasma adalah keadaan dimana elektron dikeluarkan dari atom, yang mengarah ke sejenis gas yang bermuatan listrik.
"Tetapi selama konversi cairan menjadi plasma, air masih mempertahankan kepadatan cairan, karena atom-atomnya belum sempat bergerak secara signifikan," jelas rekan penulis percobaan Olof Jönsson dari Universitas Uppsala. Keadaan materi yang eksotis seperti itu tidak dapat ditemukan dalam keadaan alami di Bumi: "Ia memiliki karakteristik yang sama dengan beberapa plasma di Matahari dan raksasa gas Jupiter, tetapi hanya memiliki kepadatan yang lebih rendah. Sementara itu, lebih panas dari inti Bumi. "
Melakukan percobaan pada air memungkinkan Anda mempelajari sifat-sifat air dengan lebih baik dalam keadaan eksotis. Ini semua lebih penting, mengingat beberapa sifat yang benar-benar unik dari zat ini: "Air benar-benar cairan yang aneh, dan jika bukan karena fitur-fiturnya, maka banyak hal di Bumi tidak akan seperti apa adanya, terutama kehidupan," Jonsson menekankan. Air memiliki banyak karakteristik dan sifat abnormal, termasuk kerapatan, kapasitas panas, dan konduktivitas termal.
Di Pusat Penelitian Fisika Partikel DESY, mereka berencana untuk mempelajari lebih dekat anomali air sebagai bagian dari proyek Pusat Ilmu Air di masa depan, yang dijadwalkan akan dibuka di DESY.
Eksperimen membantu mengembangkan metode untuk melacak molekul tunggal menggunakan laser x-ray. Para ilmuwan mengatakan bahwa laser sinar-x elektron bebas "membuka pintu ke era baru dalam biologi struktural, memungkinkan biomolekul ditangkap dan dinamika tidak tersedia menggunakan metode yang ada."
Artikel ilmiah ini
diterbitkan pada 14 Mei 2018 di jurnal
PNAS (doi: 10.1073 / pnas. 1711220115,
pdf ).