Os físicos aqueceram a água a 100.000 K em 75 femtossegundos e examinaram a matéria densa e quente.

Após cerca de 70 femtossegundos (frações de quatrilhão de segundo), a maioria das moléculas de água já se decompõe em hidrogênio (branco) e oxigênio (vermelho). Simulação: Karl Kalman, DESY / Universidade de Uppsala

Para estudar as propriedades exóticas da matéria sob condições extremas, cientistas do centro de pesquisa alemão DESY e Universidade de Uppsala (Suécia) realizaram um experimento sobre aquecimento ultra-rápido da água com um laser de raios-X (raser) - e procuraram verificar se o resultado corresponde à simulação.

Normalmente, a água fervente envolve a transferência de energia cinética para moléculas através da vibração através de convecção ou radiação de calor. Mas, neste caso, os físicos usaram um método diferente, onde a energia é transmitida através da ionização por pulsos únicos de femtossegundos de um laser de elétrons sem raios-X. Isso causa uma rápida ionização com a aparência de um estado exótico do plasma conhecido como matéria densa quente (WOM).



Substância densa e quente (TPV) é o estado agregado de uma substância, que em seus parâmetros está entre um plasma sólido e um ideal. É muito denso para ser descrito como plasma e muito quente para se relacionar com a física da matéria condensada. Em outras palavras, é um cruzamento entre um plasma e um sólido. É muito mais denso que o plasma (de 0,01 a 100 g por cm³) e, em alguns casos, possui uma gravidade específica duas vezes maior que a substância sólida da qual é obtido. Em geral, um tipo de substância Schrodinger .

O experimento atual para obter TPV da água foi realizado por uma equipe de cientistas liderada por Carl Caleman, do Centro para o Estudo de Lasers de Elétron Livres (CFEL) em DESY. As moléculas foram aquecidas com uma investigação de estado simultânea usando um laser de raio-x de elétron livre no SLAC National Accelerator Laboratory (EUA). A Razer realizou rajadas de raios X ultracurtas extremamente intensas de 6,86 keV (mais de 10 ⁶ J / cm²) em um fluxo de água.



"Claramente, essa não é uma maneira comum de ferver água " , diz Kaleman. - Normalmente, quando aquecidas, as moléculas simplesmente agitam cada vez mais. Nosso aquecimento é fundamentalmente diferente. Os raios X de energia expulsam os elétrons das moléculas de água, destruindo o equilíbrio das cargas elétricas. De repente, os átomos experimentam uma força repulsiva forte e começam a se mover violentamente. "

Em menos de 75 femtossegundos, a água passa por uma transição de fase do líquido para o plasma. O plasma é um estado da matéria em que os elétrons são removidos dos átomos, o que leva a um tipo de gás eletricamente carregado.

"Mas durante a conversão de líquido em plasma, a água ainda retém a densidade do líquido, porque os átomos ainda não tiveram tempo de se mover significativamente", explica o co-autor do experimento Olof Jönsson, da Universidade de Uppsala. Um estado exótico da matéria não pode ser encontrado no estado natural da Terra: “Ele tem as mesmas características de alguns plasmas no Sol e no gigante gasoso Júpiter, mas apenas uma densidade mais baixa. Enquanto isso, é mais quente que o núcleo da Terra. "

A realização de um experimento com água permite que você aprenda melhor sobre as propriedades da água em um estado tão exótico. Isso é ainda mais importante, dadas as propriedades verdadeiramente únicas dessa substância: "A água é realmente um líquido estranho e, se não fosse por suas características, muitas coisas na Terra não seriam o que são, especialmente a vida", enfatizou Jonsson. A água tem muitas características e propriedades anormais, incluindo densidade, capacidade de calor e condutividade térmica.

No Centro de Pesquisa em Física de Partículas DESY, eles planejam estudar mais de perto as anomalias da água como parte dos projetos do futuro Centro de Ciências da Água, que está programado para ser aberto na DESY.

O experimento ajudou a desenvolver métodos para rastrear moléculas únicas usando lasers de raios-x. Os cientistas dizem que os lasers gratuitos de raios-x de elétrons "abrem as portas para uma nova era da biologia estrutural, permitindo que você atire biomoléculas e rastreie dinâmicas que não estão disponíveis usando os métodos existentes".

O artigo científico foi publicado em 14 de maio de 2018 na revista PNAS (doi: 10.1073 / pnas. 1711220115, pdf ).