Gli scienziati hanno utilizzato un potente laser a raggi X per riscaldare l'acqua dalla temperatura ambiente a 100, 000 gradi Celsius in meno di un decimo di picosecondo (milionesimo di milionesimo di secondo). L'apparato sperimentale, che può essere considerato lo scaldabagno più veloce del mondo, ha prodotto uno stato esotico dell'acqua da cui i ricercatori sperano di saperne di più sulle caratteristiche peculiari dell'acqua. Le osservazioni hanno anche un uso pratico per il sondaggio biologico e molti altri campioni con laser a raggi X. Il team di Carl Caleman del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) del DESY e dell'Università di Uppsala (Svezia) riporta i suoi risultati sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).
I ricercatori hanno utilizzato il laser a raggi X a elettroni liberi Linac Coherent Light Source LCLS presso lo SLAC National Accelerator Laboratory negli Stati Uniti per sparare lampi di raggi X estremamente intensi e ultracorti a un getto d'acqua. "Non è il solito modo di far bollire l'acqua, "disse Caleman. "Normalmente, quando riscaldi l'acqua, le molecole saranno solo agitate sempre più forte." A livello molecolare, il calore è movimento:il più caldo, più veloce è il movimento delle molecole. Questo può essere ottenuto, Per esempio, tramite trasferimento di calore da una stufa, o più direttamente con le microonde che fanno oscillare le molecole d'acqua avanti e indietro sempre più velocemente al passo con il campo elettromagnetico.
"Il nostro riscaldamento è fondamentalmente diverso, " ha spiegato Caleman. "I raggi X energetici spingono gli elettroni fuori dalle molecole d'acqua, distruggendo così l'equilibrio delle cariche elettriche. Così, improvvisamente gli atomi sentono una forte forza repulsiva e iniziano a muoversi violentemente." In meno di 75 femtosecondi, sono 75 milionesimi di miliardesimo di secondo o 0.000 000 000 000 075 secondi, l'acqua passa attraverso una fase di transizione da liquido a plasma. Un plasma è uno stato della materia in cui gli elettroni sono stati rimossi dagli atomi, portando a una sorta di gas caricato elettricamente.
"Ma mentre l'acqua si trasforma da liquida in plasma, rimane ancora alla densità dell'acqua liquida, poiché gli atomi non hanno ancora avuto il tempo di muoversi in modo significativo, " ha affermato il coautore Olof Jönsson dell'Università di Uppsala. Questo stato esotico della materia non è nulla che si possa trovare naturalmente sulla Terra. "Ha caratteristiche simili a quelle di alcuni plasmi del sole e del gigante gassoso Giove, ma ha una densità inferiore. Nel frattempo, è più caldo del centro della Terra."
Gli scienziati hanno utilizzato le loro misurazioni per convalidare le simulazioni del processo. Insieme, le misurazioni e le simulazioni consentono di studiare questo stato esotico dell'acqua per saperne di più sulle proprietà generali dell'acqua. "L'acqua è davvero un liquido strano, e se non fosse per le sue caratteristiche peculiari, molte cose sulla Terra non sarebbero come sono, in particolare la vita, " ha sottolineato Jönsson. L'acqua mostra molte anomalie, compresa la sua densità, capacità termica e conducibilità termica. Sono queste anomalie che verranno indagate all'interno del futuro Center for Water Science (CWS) previsto al DESY, ed i risultati ottenuti sono di grande importanza per le attività ivi presenti.
Al di là del suo significato fondamentale, lo studio ha anche un significato pratico immediato. I laser a raggi X sono spesso usati per studiare la struttura atomica di piccoli campioni. "È importante per qualsiasi esperimento che coinvolga liquidi ai laser a raggi X, ", ha affermato il co-autore Kenneth Beyerlein del CFEL. "In effetti, qualsiasi campione che metti nel raggio di raggi X verrà distrutto nel modo in cui abbiamo osservato. Se analizzi qualcosa che non sia un cristallo, devi considerare questo."
Le misurazioni non mostrano quasi nessun cambiamento strutturale nell'acqua fino a 25 femtosecondi dopo che l'impulso dei raggi X inizia a colpirla. Ma a 75 femtosecondi, i cambiamenti sono già evidenti. "Lo studio ci dà una migliore comprensione di ciò che facciamo a diversi campioni, " ha spiegato il coautore Nicusor Timneanu dell'Università di Uppsala, uno degli scienziati chiave nello sviluppo del modello teorico utilizzato. "Le sue osservazioni sono anche importanti da considerare per lo sviluppo di tecniche per l'immagine di singole molecole o altre minuscole particelle con i laser a raggi X".
