Populære Innlegg

Redaksjonens - 2019

Verdens raskeste vannvarmer: 100.000 grader Celsius på mindre enn en tiendedel av en picosekund

Verdens raskeste mann - Usain Bolt (Juni 2019).

Anonim

Forskere har brukt en kraftig røntgen laser til å varme vannet fra romtemperatur til 100.000 grader Celsius på mindre enn en tiendedel av en picosekund (millionte av en millionste sekund). Den eksperimentelle oppsettet, som kan sees som verdens raskeste vannvarmer, produserte en eksotisk tilstand av vann, hvorfra forskere håper å lære mer om de spesielle egenskapene til jordens viktigste væske. Observasjonene har også praktisk bruk for probing biologiske og mange andre prøver med røntgen lasere. Teamet Carl Caleman fra Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ved DESY og Uppsala Universitet (Sverige) rapporterer sine funn i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

annonse


Forskerne brukte røntgenfri-elektronlaseren Linac Coherent Light Source LCLS på SLAC National Accelerator Laboratory i USA for å skyte ekstremt intense og ultra korte blinker av røntgenbilder ved en vannstråle. "Det er ikke den vanlige måten å koke vannet ditt, " sa Caleman. "Normalt, når du varme vann, vil molekylene bare bli rystet sterkere og sterkere." På molekylært nivå er varmen bevegelse - jo hettere, jo raskere bevegelsen av molekylene. Dette kan oppnås, for eksempel via varmeoverføring fra en komfyr, eller mer direkte med mikrobølger som gjør vannmolekylene sving frem og tilbake enda raskere i takt med det elektromagnetiske feltet.

"Vår oppvarming er fundamentalt forskjellig, " forklarte Caleman. "De energiske røntgenstrålene slår elektroner ut av vannmolekylene, og ødelegger dermed balansen mellom elektriske ladninger. Så plutselig føler atomer seg en sterk motstridende kraft og begynner å bevege seg voldsomt." På mindre enn 75 femtosekunder, det er 75 millionerths av en milliarddel av et sekund eller 0.000 000 000 000 075 sekunder, går vannet gjennom en faseovergang fra væske til plasma. Et plasma er en tilstand av materie hvor elektronene er fjernet fra atomene, noe som fører til en slags elektrisk ladet gass.

"Men mens vannet forvandler seg fra væske til plasma, er det fortsatt på tettheten av flytende vann, da atomene ikke hadde tid til å flytte betydelig enda, " sa medforfatter Olof Jönsson fra Uppsala universitet. Denne eksotiske tilstanden av materie er ingenting som kan finnes naturlig på jorden. "Det har liknende egenskaper som noen plasma i solen og gassgiganten Jupiter, men har en lavere tetthet. I mellomtiden er det varmere enn jordens kjerne."

Forskerne brukte sine målinger for å validere simuleringer av prosessen. Sammen kan målingene og simulasjonene studere denne eksotiske tilstanden for vann for å lære mer om vannets generelle egenskaper. "Vann er egentlig en merkelig væske, og hvis det ikke var for sine spesielle egenskaper, ville mange ting på jorden ikke være som de er, spesielt livet, " understreket Jönsson. Vann viser mange anomalier, inkludert dens tetthet, varmekapasitet og termisk ledningsevne. Det er det disse anomaliene som vil bli undersøkt i fremtiden Center for Water Science (CWS) planlagt på DESY, og de oppnådde resultatene er av stor betydning for aktivitetene der.

Bortsett fra sin grunnleggende betydning har studien også umiddelbar praktisk betydning. Røntgenlasere brukes ofte til å undersøke den lille strukturen av små prøver. "Det er viktig for ethvert eksperiment som involverer væsker ved røntgenlasere, " sa medforfatter Kenneth Beyerlein fra CFEL. "Faktisk vil enhver prøve som du legger inn i røntgenstrålen bli ødelagt på den måten vi observerte. Hvis du analyserer noe som ikke er en krystall, må du vurdere dette."

Målingene viser nesten ingen strukturelle endringer i vannet opptil 25 femtosekunder etter at røntgenpulsen begynner å slå den. Men på 75 femtosekunder er endringer allerede tydelige. "Studien gir oss en bedre forståelse av hva vi gjør for ulike prøver, " forklarer medforfatter Nicusor Timneanu fra Uppsala universitet, en av de viktigste forskerne som utvikler den teoretiske modellen som brukes. "Det er også viktig å vurdere dens observasjoner for utviklingen av teknikker for bildemolekyler eller andre småpartikler med røntgenlasere."

annonse



Historie Kilde:

Materialer levert av Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY . Merk: Innholdet kan redigeres for stil og lengde.


Tidsreferanse :

  1. Kenneth R. Beyerlein, H. Olof Jönsson, Roberto Alonso-Mori, Andrew Aquila, Saša Bajt, Anton Barty, Richard Bean, Jason E. Koglin, Marc Messerschmidt, Davide Ragazzon, Dimosthenis Sokaras, Garth J. Williams, Stefan Hau-Riege, Sébastien Boutet, Henry N. Chapman, Nicusor Tîmneanu og Carl Caleman. Ultrafast ikke termisk oppvarming av vann initiert av en røntgenfri-elektronlaser . PNAS, 2018 DOI: 10, 1073 / pnas.201711220