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).
