Utilizando el láser de rayos X europeo XFEL, un equipo de investigación ha investigado cómo se calienta el agua en condiciones extremas. En el proceso, los científicos pudieron observar agua que permanecía líquida incluso a temperaturas de más de 170 grados centígrados. La investigación reveló un comportamiento dinámico anómalo del agua en estas condiciones. Los resultados del estudio, que se publican en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ), son de fundamental importancia para la planificación y el análisis de investigaciones de muestras sensibles utilizando láseres de rayos X.

XFEL europeo, una instalación de investigación internacional, que se extiende desde el sitio DESY en Hamburgo hasta la ciudad vecina de Schenefeld en Schleswig-Holstein, es el hogar del láser de rayos X más potente del mundo. Puede generar hasta 27 000 destellos de rayos X intensos por segundo. Por sus experimentos, los investigadores utilizaron series de 120 flashes cada una. Los destellos individuales estaban separados por menos de una millonésima de segundo (exactamente 0,886 microsegundos). Los científicos enviaron estos trenes de pulsos a un delgado tubo de vidrio de cuarzo lleno de agua y observó la reacción del agua.

"Nos preguntamos cuánto tiempo y con qué intensidad se puede calentar el agua en el láser de rayos X y si todavía se comporta como agua, "explica el autor principal Felix Lehmkühler de DESY". Por ejemplo, ¿todavía funciona como refrigerante a altas temperaturas? "Una comprensión detallada del agua sobrecalentada también es esencial para una gran cantidad de investigaciones en muestras sensibles al calor, como polímeros o muestras biológicas.

"Con los flashes de rayos X, pudimos calentar el agua hasta 172 grados centígrados en diez milésimas de segundo sin que se evaporara, ", informa Lehmkühler. Tal retraso de ebullición normalmente solo se puede observar hasta unos 110 grados centígrados". Pero esa no es la única característica anómala, "enfatiza el físico. Los científicos investigaron el movimiento de nanoesferas de silicio flotando en el agua como marcadores de la dinámica en la muestra". En el agua extremadamente sobrecalentada, observamos que el movimiento de las nanoesferas de dióxido de silicio se desvió significativamente del movimiento molecular browniano aleatorio esperado. Esto indica un calentamiento desigual de la muestra, ", dice Lehmkühler. Los modelos teóricos existentes aún no pueden explicar satisfactoriamente este comportamiento porque no están diseñados para el agua en estas condiciones extremas.

Gracias a la rápida secuencia de destellos del XFEL europeo, los investigadores pudieron observar el proceso con extremo detalle. "Lo que hace que el XFEL europeo sea único es la alta tasa de repetición, es decir, el elevado número de pulsos por segundo ", explica el coautor Adrian Mancuso, jefe del instrumento SPB / SFX en el XFEL europeo donde se llevaron a cabo los experimentos. "Y tenemos toda la instrumentación en su lugar, como cámaras rápidas, diagnósticos y más, para que estos experimentos sean posibles ". Por ejemplo, el Detector de píxeles integrador de ganancia adaptativa (AGIPD) desarrollado por un consorcio liderado por DESY puede tomar alrededor de 350 imágenes en serie a intervalos de solo 220 mil millonésimas de segundo (nanosegundos).

Esta configuración no solo permitió que se generara el agua sobrecalentada, pero también permitió a los científicos llevar a cabo una serie de experimentos controlados con precisión con destellos de rayos X de intensidad reducida. "Utilizando filtros de silicona, ajustamos la energía de los pulsos para poder controlar exactamente cuánto se calentó el agua, "informa Lehmkühler". Por ejemplo, pudimos determinar qué tan fuertes deben ser los destellos de rayos X para que la temperatura de una muestra acuosa permanezca más o menos constante ”.

Esto permite a los investigadores planificar mejor los experimentos con muestras sensibles al calor en el láser de rayos X, por ejemplo. Por otra parte, el efecto de calentamiento también se puede utilizar de manera selectiva si se conoce su curso exacto. El equipo planea investigar más a fondo estos efectos también en el marco del Centro de Ciencia Molecular del Agua (CMWS), que actualmente se está instalando en DESY.

"Nuestros resultados no solo proporcionan la sorprendente observación de una dinámica anómala, sino también dibujar una imagen detallada de cómo las muestras acuosas se calientan en el láser de rayos X, "resume el investigador principal Gerhard Grübel de DESY, uno de los coordinadores de CMWS. "Además, las investigaciones demuestran que estas imágenes en serie son posibles en el XFEL europeo y que sus destellos son extremadamente uniformes en cada tren de pulsos ".