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).
«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
