Физики нагрели воду до 100 000 K за 75 фемтосекунд и рассмотрели тёплое плотное вещество


    Примерно через 70 фемтосекунд (квадриллионных долей секунды) большинство молекул воды уже распадается на водород (белый) и кислород (красный). Симуляция: Карл Калман, DESY/Уппсальский университет

    Для исследования экзотических свойств материи в экстремальных условиях учёные из немецкого исследовательского центра по физике частиц DESY и Уппсальского университета (Швеция) провели эксперимент по сверхбыстрому нагреванию воды рентгеновским лазером (разером) — и посмотрели, совпадает ли результат с симуляцией.

    Обычно нагревание при кипячении воды заключается в передаче молекулам кинетической энергии через вибрацию с помощью конвекции или теплоизлучением. Но в данном случае физики использовали иной метод, где энергия передаётся через ионизацию одиночными фемтосекундными импульсами рентгеновского лазера на свободных электронах. Это вызывает быструю ионизации с появлением экзотического состояния плазмы, известного как тёплое плотное вещество (warm dense matter, WOM).



    Тёплое плотное вещество (ТПВ) — агрегатное состояние вещества, которое по своим параметрам находится между твёрдым телом и идеальной плазмой. Оно слишком плотное, чтобы быть описанным как плазма, и слишком горячее, чтобы относиться к физике конденсированных сред. Другими словами, это нечто среднее между плазмой и твёрдым телом. Оно намного плотнее, чем плазма (от 0,01 до 100 г на см³), а в некоторых случаях имеет удельный вес в два раза больше, чем твёрдое вещество, из которого получено. В общем, своеобразное вещество Шрёдингера.

    Нынешний эксперимент по получению ТПВ из воды провела группа учёных под руководством Карла Калмана (Carl Caleman) из Центра исследований лазеров на свободных электронах (CFEL) в DESY. Нагрев молекул с одновременным исследованием состояния проводилось с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах в Национальной лаборатории ускорителей SLAC (США). Разер осуществлял чрезвычайно интенсивные сверхкороткие вспышки рентгеновского излучения 6,86 кэВ (более 106 Дж/см²) по струе воды.



    «Это явно не обычный способ вскипятить воду, — говорит Калеман. — Обычно при нагревании молекулы просто встряхиваются сильнее и сильнее. Наше нагревание принципиально другое. Энергетические рентгеновские лучи выбивают электроны из молекул воды, тем самым разрушая баланс электрических зарядов. Внезапно атомы испытывают сильную отталкивающую силу и начинают бурно двигаться».

    Менее чем за 75 фемтосекунды вода проходит фазовый переход от жидкости к плазме. Плазма — это состояние вещества, в котором электроны удалены из атомов, что приводит к своего рода электрически заряженному газу.

    «Но во время превращения жидкости в плазму вода по-прежнему сохраняет плотность жидкости, так как атомы еще не успели значительно переместиться», — объясняет соавтор эксперимента Олоф Йонссон (Olof Jönsson) из Уппсальского университета. Такое экзотическое состояние материи невозможно найти в естественном состоянии на Земле: «У него такие же характеристики, как у некоторых плазм на Солнце и в газовом гиганте Юпитер, но только более низкая плотность. Между тем оно горячее, чем ядро Земли».

    Проведение эксперимента именно на воде позволяет лучше узнать о свойствах воды в столь экзотическом состоянии. Это тем более важно, учитывая некоторые действительно уникальные свойства этого вещества: «Вода действительно странная жидкость, и если бы не её особенности, то многие вещи на Земле не были бы такими, как они есть, особенно жизнь», — подчеркнул Йонссон. У воды множество аномальных характеристик и свойств, включая плотность, теплоёмкость и теплопроводность.

    В исследовательском центре по физике частиц DESY планируют более внимательно изучить аномалии воды в рамках проектов будущего Центра науки о воде (Centre for Water Science), который планируется открыть в DESY.

    Проведённый эксперимент помог отработать методы отслеживания одиночных молекул с помощью рентгеновских лазеров. Учёные говоря, что рентгеновские лазеры на свободных электронах «открывают двери в новую эру структурной биологии, позволяя снимать биомолекулы и отслеживать динамику, недоступную с помощью существующих методов».

    Научная статья опубликована 14 мая 2018 года в журнале PNAS (doi: 10.1073/pnas.1711220115, pdf).
    Поделиться публикацией
    Ой, у вас баннер убежал!

    Ну. И что?
    Реклама
    Комментарии 12
      +6
      Примерно через 70 фемтосекунд (квадриллионных долей секунды)

      Менее чем за 75 фемтосекунд, то есть 75 квинтиллионных долей секунды

      Разногласия наблюдаю я.

        +3

        Ещё было бы неплохо указывать степень десятки — лично я не знаю, сколько это квинтиллион или квадрилион.

          0
          Фемто — десять в минус пятнадцатой степени
          Квинтиллион — десять в восемнадцатой степени
          Квадриллион — десять в пятнадцатой степени
        0
        Так какие результаты-то нагрева и наблюдения тела? А то получается, что сама возможность нагрева вещества лазерным импульсом — новость.
          +2

          Довольно пустая статья. Я не физик, но мне кажется разговор про "промежуточное между твёрдым телом и плазмой" тут притянуть за уши. Это просто плазма, просто высокой плотности. Я даже не уверен, что у неё какие-то специальные свойства есть.

            +2
            Тёплое плотное вещество изучают достаточно давно. Его свойства не совпадают со свойствами плазмы. Поэтому выделено в отдельный вид. Специально для изучения этого состояния вещества создают отдельные установки и проводят эксперименты. Еще, например, кроме плазмы существует кварк-глюонная плазма. Для ее изучения сделали отдельный режим на большом адронном коллайдере.
            Подобные агрегатные состояния вещества не присутствуют в окружающей нас действительности, поэтому их исследования носят в основном фундаментальный характер.Но это интересная физика.
              0
              А не могли бы вы привести пример отличающихся свойств?
                0
                Я не специалист, но точно разные уравнения состояния различных веществ. Теоретические формулы для уравнения состояния вещества в плазме и материи в конденсированном виде никак не подходят для состояния тёплого плотного вещества. В первую очередь, проводят эксперименты именно для выяснения уравнений состояния для тёплого плотного вещества. Возможно, в этом агрегатном состоянии находятся ядра крупных планет. Т.е. термодинамические параметры для тёплого плотного вещества другие.
                Вот для кварк-глюонной плазмы выяснилось, например, что ее некоторые свойства больше похожи на свойства жидкости, чем на свойства плазмы.
            0
            большинство молекул воды уже распадается на водород (белый) и кислород (красный).
            — новый способ получения. А на сколько затратный?
              0
              Бесконечно затратный.
              –1
              раздолбали молекулы воды на атомы рентгеном и чо! Столько абзацев и никакой практической стороны.
                0
                Умеют воду лить из пустого в порожнее в этом самом пресловутом «центре науки о воде». Британские учёные могут только позавидовать.

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое