Technik

Weltweit schnellster Warmwasserbereiter: 100000 Grad Celsius in weniger als ein Zehntel einer Picosekunde

Wissenschaftler haben mit einem leistungsstarken Röntgenlaser Wasser von Raumtemperatur auf 100.000 Grad Celsius in weniger als einer Zehntel einer Picosekunde (Millionstel einer Millionstel Sekunde) erhitzt. Der experimentelle Aufbau, der als der schnellste Wassererhitzer der Welt angesehen werden kann, erzeugte einen exotischen Zustand des Wassers, von dem Forscher hoffen, mehr über die eigenartigen Eigenschaften der wichtigsten Flüssigkeit der Erde zu lernen. Die Beobachtungen haben auch praktischen Nutzen für das Sondieren biologischer und vieler anderer Proben mit Röntgenlasern. Das Team von Carl Caleman vom Zentrum für Freie-Elektronen-Laserforschung (CFEL) bei DESY und der Universität Uppsala (Schweden) berichtet über seine Ergebnisse in der Zeitschrift Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS).

Die Forscher nutzten den Röntgen-Freie-Elektronen-Laser Linac Coherent Light Source LCLS im SLAC National Accelerator Laboratory in den USA, um extrem intensive und ultrakurze Röntgenblitze mit einem Wasserstrahl zu erzeugen. “Es ist nicht die übliche Weise, dein Wasser zu kochen”, sagte Caleman. “Wenn man Wasser erhitzt, werden die Moleküle normalerweise stärker und stärker geschüttelt.” Auf molekularer Ebene ist Wärme Bewegung – je heißer, desto schneller die Bewegung der Moleküle. Dies kann zum Beispiel durch Wärmeübertragung von einem Ofen oder direkter mit Mikrowellen erreicht werden, die die Wassermoleküle im Schritt mit dem elektromagnetischen Feld immer schneller hin und her schwingen lassen.

“Unsere Heizung ist grundlegend anders”, erklärte Caleman. “Die energiereichen Röntgenstrahlen stossen Elektronen aus den Wassermolekülen aus und zerstören dadurch das Gleichgewicht der elektrischen Ladungen. Plötzlich fühlen die Atome eine starke abstoßende Kraft und beginnen sich heftig zu bewegen.” In weniger als 75 Femtosekunden, das sind 75 Millionstel einer Milliardstel Sekunde oder 0.000.000.000.000 075 Sekunden, durchläuft das Wasser einen Phasenübergang von flüssig zu Plasma. Ein Plasma ist ein Materiezustand, in dem die Elektronen von den Atomen entfernt wurden, was zu einer Art elektrisch geladenem Gas führt.

“Aber während das Wasser von Flüssigkeit zu Plasma wandert, bleibt es immer noch in der Dichte von flüssigem Wasser, da die Atome noch keine Zeit hatten, sich signifikant zu bewegen”, sagte Co-Autor Olof Jönsson von der Universität Uppsala. Dieser exotische Zustand der Materie ist nichts, was man auf der Erde natürlich finden könnte. “Es hat ähnliche Eigenschaften wie einige Plasmen in der Sonne und dem Gasriesen Jupiter, hat aber eine geringere Dichte. Inzwischen ist es heißer als der Erdkern.”

Die Wissenschaftler nutzten ihre Messungen, um Simulationen des Prozesses zu validieren. Zusammen ermöglichen die Messungen und Simulationen, diesen exotischen Zustand von Wasser zu untersuchen, um mehr über die allgemeinen Eigenschaften des Wassers zu erfahren. “Wasser ist wirklich eine merkwürdige Flüssigkeit, und wenn es nicht seine eigenartigen Eigenschaften hätte, wären viele Dinge auf der Erde nicht so, wie sie sind, besonders das Leben”, betonte Jönsson. Wasser weist viele Anomalien auf, einschließlich seiner Dichte, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit. Es sind diese Anomalien, die im zukünftigen Zentrum für Wasserforschung (CWS) bei DESY untersucht werden, und die erzielten Ergebnisse sind für die Aktivitäten dort von großer Bedeutung.

Neben ihrer grundsätzlichen Bedeutung hat die Studie auch unmittelbare praktische Bedeutung. Röntgenlaser werden häufig verwendet, um die atomare Struktur winziger Proben zu untersuchen. “Es ist wichtig für jedes Experiment mit Flüssigkeiten bei Röntgenlasern”, sagte Ko-Autor Kenneth Beyerlein von CFEL. “Tatsächlich wird jede Probe, die du in den Röntgenstrahl steckst, in der Art und Weise zerstört, wie wir sie beobachtet haben. Wenn du etwas analysierst, das kein Kristall ist, musst du darüber nachdenken.”

Die Messungen zeigen fast keine Strukturänderungen im Wasser bis zu 25 Femtosekunden nachdem der Röntgenimpuls auf sie trifft. Aber schon bei 75 Femtosekunden sind Veränderungen sichtbar. “Die Studie gibt uns ein besseres Verständnis davon, was wir mit verschiedenen Proben machen”, erklärte Co-Autor Nicusor Timneanu von der Universität Uppsala, einer der Schlüsselwissenschaftler, der das verwendete theoretische Modell entwickelte. “Seine Beobachtungen sind auch wichtig für die Entwicklung von Techniken, mit denen einzelne Moleküle oder andere winzige Teilchen mit Röntgenlasern abgebildet werden können.”

Geschichte Quelle:

Materialien zur Verfügung gestellt von Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY . Hinweis: Der Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.

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