Los científicos han utilizado un potente láser de rayos X para calentar el agua desde la temperatura ambiente a 100ºC. 000 grados Celsius en menos de una décima de picosegundo (millonésima de millonésima de segundo). La configuración experimental, que puede considerarse el calentador de agua más rápido del mundo, produjo un estado exótico del agua del que los investigadores esperan aprender más sobre las características peculiares del agua. Las observaciones también tienen un uso práctico para el sondeo de muestras biológicas y muchas otras con láseres de rayos X. El equipo de Carl Caleman del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) en DESY y la Universidad de Uppsala (Suecia) informa sus hallazgos en la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ).
Los investigadores utilizaron el láser de rayos X de electrones libres Linac Coherent Light Source LCLS en el SLAC National Accelerator Laboratory en los EE. UU. Para disparar destellos extremadamente intensos y ultra cortos de rayos X en un chorro de agua. "No es la forma habitual de hervir el agua, "dijo Caleman." Normalmente, cuando calientas agua, las moléculas simplemente se agitarán cada vez más fuerte ". A nivel molecular, el calor es movimiento:cuanto más caliente, cuanto más rápido sea el movimiento de las moléculas. Esto se puede lograr, por ejemplo, mediante transferencia de calor de una estufa, o más directamente con microondas que hacen que las moléculas de agua oscilen de un lado a otro cada vez más rápido en sintonía con el campo electromagnético.
"Nuestra calefacción es fundamentalmente diferente, "explicó Caleman." Los rayos X energéticos sacan electrones de las moléculas de agua, destruyendo así el equilibrio de cargas eléctricas. Entonces, de repente, los átomos sienten una fuerte fuerza repulsiva y comienzan a moverse violentamente ". En menos de 75 femtosegundos, eso es 75 millonésimas de mil millonésimas de segundo o 0.000 000 000 000 075 segundos, el agua pasa por una transición de fase de líquido a plasma. Un plasma es un estado de la materia en el que se han eliminado los electrones de los átomos, conduciendo a una especie de gas cargado eléctricamente.
"Pero mientras el agua se transforma de líquido a plasma, todavía permanece en la densidad del agua líquida, como los átomos aún no tuvieron tiempo de moverse significativamente, ", dijo el coautor Olof Jönsson de la Universidad de Uppsala. Este exótico estado de la materia no es nada que se pueda encontrar naturalmente en la Tierra". Tiene características similares a algunos plasmas en el sol y el gigante gaseoso Júpiter, pero tiene una densidad menor. Mientras tanto, hace más calor que el núcleo de la Tierra ".
Los científicos utilizaron sus medidas para validar las simulaciones del proceso. Juntos, las mediciones y simulaciones permiten estudiar este exótico estado del agua para conocer más sobre las propiedades generales del agua. "El agua es realmente un líquido extraño, y si no fuera por sus peculiares características, muchas cosas en la Tierra no serían como son, particularmente la vida, ", Enfatizó Jönsson. El agua presenta muchas anomalías, incluyendo su densidad, capacidad calorífica y conductividad térmica. Son estas anomalías las que se investigarán en el futuro Centro de Ciencias del Agua (CWS) planificado en DESY, y los resultados obtenidos son de gran importancia para las actividades allí.
Aparte de su importancia fundamental, el estudio también tiene una importancia práctica inmediata. Los láseres de rayos X se utilizan a menudo para investigar la estructura atómica de muestras diminutas. "Es importante para cualquier experimento que involucre líquidos en láseres de rayos X, "dijo el coautor Kenneth Beyerlein de CFEL." De hecho, cualquier muestra que coloque en el haz de rayos X se destruirá de la manera que observamos. Si analizas algo que no sea un cristal, tienes que considerar esto ".
Las mediciones casi no muestran cambios estructurales en el agua hasta 25 femtosegundos después de que el pulso de rayos X comienza a golpearla. Pero a los 75 femtosegundos, los cambios ya son evidentes. "El estudio nos brinda una mejor comprensión de lo que hacemos con diferentes muestras, "explicó el coautor Nicusor Timneanu de la Universidad de Uppsala, uno de los científicos clave en el desarrollo del modelo teórico utilizado. "También es importante tener en cuenta sus observaciones para el desarrollo de técnicas para obtener imágenes de moléculas individuales u otras partículas diminutas con láseres de rayos X".
