Παγκόσμιο ρεκόρ υπερθέρμανσης νερού από Έλληνες επιστήμονες. World's fastest water heater—100,000 degrees in under a 10th of a picosecond

Ανέβασαν την θερμοκρασία του στους 100.000 βαθμούς Κελσίου. Scientists have used a powerful X-ray laser to heat water from room temperature to 100,000 degrees Celsius in less than a 10th of a picosecond (millionth of a millionth of a second). The experimental setup, which can be seen as the world's fastest water heater, produced an exotic state of water from which researchers hope to learn more about the peculiar characteristics of water. The observations also have practical use for the probing biological and many other samples with X-ray lasers. After about 70 femtoseconds (quadrillionths of a second) most water molecules have already split into hydrogen (white) and oxygen (red). Credit: Carl Caleman, DESY/Uppsala University

Το νερό φαίνεται πως ταιριάζει στους Έλληνες επιστήμονες. Δύο ερευνητές της διασποράς συμμετείχαν σε πρωτοποριακές έρευνες που αφορούν το πιο σημαντικό υγρό του πλανήτη μας.

Ερευνητές από τις ΗΠΑ και την Ευρώπη, μεταξύ των οποίων ένας Έλληνας επιστήμονας της διασποράς, πέτυχαν παγκόσμιο ρεκόρ ταχύτητας θέρμανσης του νερού. Χρησιμοποιώντας ένα ισχυρό λέιζερ ακτίνων-Χ, κατάφεραν να ανεβάσουν τη θερμοκρασία του νερού, από τη θερμοκρασία δωματίου στους 100.000 βαθμούς Κελσίου, μέσα σε μόλις ένα πικοδευτερόλεπτο (εκατομμυριοστό του εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου).

Simulated paths of the atoms in the hot plasma. Credit: Carl Caleman, CFEL/DESY/Uppsala University

Με τον τρόπο αυτό, παρήγαγαν μια «εξωτική» μορφή του νερού, την οποία θα μελετήσουν περισσότερο στο μέλλον, ώστε να μάθουν περισσότερα πράγματα για τις ιδιότητές του. Η απότομη θέρμανση του νερού με τις ακτίνες-Χ υψηλής ενέργειας «σπρώχνει» τα ηλεκτρόνια έξω από τα μόρια του νερού, με συνέπεια το νερό να μετατρέπεται αστραπιαία από υγρό σε πλάσμα, μια κατάσταση της ύλης όπου τα ηλεκτρόνια έχουν απομακρυνθεί από τα άτομα, οδηγώντας σε ένα είδος ηλεκτρικά φορτισμένου αερίου.

Παρόλο, όμως, που το νερό μεταμορφώνεται από υγρό σε πλάσμα, διατηρεί την πυκνότητα του υγρού νερού, με αποτέλεσμα να προκύπτει μια «εξωτική» κατάσταση ύλης, που δεν συναντάται με φυσικό τρόπο στη Γη και στην οποία η θερμοκρασία είναι υψηλότερη και από τον πυρήνα της Γης.

Simulation of the movement of the water molecules and atoms in the first 70 femtoseconds of the intense X-ray pulse. The experimental data were used to validate the theoretical modelling of the dynamics. Credit: Carl Caleman, CFEL/DESY and Uppsala University

Οι ερευνητές του γερμανικού ερευνητικού κέντρου-συγχρότρου DESY και του σουηδικού Πανεπιστημίου της Ουψάλα χρησιμοποίησαν για τα πειράματά τους το λέιζερ του επιταχυντή SLAC των ΗΠΑ. Μεταξύ των επιστημόνων, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο επιστημονικό έντυπο (PNAS), είναι ο Έλληνας Δημοσθένης Σοκαράς, ερευνητής από το 2015 του Εργαστηρίου SLAC του Πανεπιστημίου Στάνφορντ της Καλιφόρνια, ο οποίος έχει αποφοιτήσει από το ΕΜΠ και έχει πάρει το διδακτορικό του από το «Δημόκριτο».

Φως στον «χορό» του νερού

Typically we consider that water molecules in the liquid state move randomly on ultrafast timescales due to thermal fluctuations. Now, scientists have discovered correlated motion in water dynamics on a sub-100 femtoseconds timescale. This appears as 'caging effects' due to buildup of tetrahedral structures upon supercooling. The results are based on a combination of experimental studies using x-ray lasers and theoretical simulations. A schematic of the approach used to capture water dynamics on the ultrafast timescale. If one were able to photograph the molecules in real space with different exposure times, the image would become gradually blurry because of the motion of the molecules. This is done with x-ray scattering in the so-called reciprocal space, where the diffraction pattern is gradually smoother for longer pulse durations. Credit: Stockholm University

Μια άλλη έρευνα, με επικεφαλής έναν Έλληνα φυσικό της διασποράς, τον δρα Φοίβο Περάκη του Πανεπιστημίου της Στοκχόλμης, για πρώτη φορά χρησιμοποίησε ένα ισχυρό λέιζερ ακτίνων-Χ για να αποκαλύψει την υπερταχεία κίνηση των μορίων του υγρού νερού.

Οι ερευνητές από τη Σουηδία, τις ΗΠΑ και τη Γερμανία, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο Nature Communications, είναι οι πρώτοι που, με τη βοήθεια του επιταχυντικού συγχρότρου SLAC, «φωτογράφησαν» τα κινούμενα μόρια του νερού σε χρονική κλίμακα κάτω των 100 femtoseconds (εκατομμυριοστών του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου).

Foivos Perakis - Stockholm University

«Είναι μια τελείως νέα δυνατότητα να μπορούμε να χρησιμοποιούμε τα λέιζερ ακτίνων-Χ για να βλέπουμε την κίνηση των μορίων σε πραγματικό χρόνο. Αυτό μπορεί να ανοίξει ένα τελείως νέο πεδίο ερευνών σε αυτές τις χρονικές κλίμακες», δήλωσε ο Περάκης, ο οποίος έχει αποφοιτήσει από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης και έχει πάρει το διδακτορικό του από το Ινστιτούτο Φυσικής Χημείας του Πανεπιστημίου της Ζυρίχης.

Πηγές: Ultrafast non-thermal heating of water initiated by an X-ray Free-Electron Laser. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1711220115 - Coherent X-rays reveal the influence of cage effects on ultrafast water dynamics. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-04330-5 - http://www.tovima.gr/science/article/?aid=979632 - http://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1402