Utilizzando il laser a raggi X europeo XFEL, un team di ricerca ha studiato come l'acqua si riscalda in condizioni estreme. Nel processo, gli scienziati sono stati in grado di osservare l'acqua che è rimasta liquida anche a temperature superiori a 170 gradi Celsius. L'indagine ha rivelato un comportamento dinamico anomalo dell'acqua in queste condizioni. I risultati dello studio, che sono pubblicati in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ), sono di fondamentale importanza per la pianificazione e l'analisi di indagini su campioni sensibili mediante laser a raggi X.

XFEL europeo, una struttura di ricerca internazionale, che si estende dal sito DESY ad Amburgo alla vicina città di Schenefeld nello Schleswig-Holstein, ospita il laser a raggi X più potente al mondo. Può generare fino a 27.000 intensi lampi di raggi X al secondo. Per i loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato serie di 120 flash ciascuna. I singoli lampi erano a distanza di meno di un milionesimo di secondo (esattamente 0,886 microsecondi). Gli scienziati hanno inviato questi treni di impulsi in un sottile, tubo di vetro al quarzo pieno d'acqua e osservato la reazione dell'acqua.

"Ci siamo chiesti per quanto tempo e con quanta forza l'acqua può essere riscaldata nel laser a raggi X e se si comporta ancora come l'acqua, " spiega l'autore principale Felix Lehmkühler di DESY. "Ad esempio, funziona ancora come refrigerante ad alte temperature?" Una comprensione dettagliata dell'acqua surriscaldata è essenziale anche per un gran numero di indagini su campioni sensibili al calore, come polimeri o campioni biologici.

"Con i lampi a raggi X, siamo stati in grado di riscaldare l'acqua fino a 172 gradi Celsius in un decimillesimo di secondo senza che evaporasse, " riporta Lehmkühler. Un tale ritardo di ebollizione può normalmente essere osservato solo fino a circa 110 gradi Celsius. "Ma non è l'unica caratteristica anomala, " sottolinea il fisico. Gli scienziati hanno studiato il movimento delle nanosfere di silicio che galleggiano nell'acqua come marcatori per la dinamica nel campione. "Nell'acqua estremamente surriscaldata, abbiamo osservato che il movimento delle nanosfere di biossido di silicio devia significativamente dal movimento molecolare Browniano casuale previsto. Ciò indica un riscaldamento irregolare del campione, " dice Lehmkühler. I modelli teorici esistenti non possono ancora spiegare in modo soddisfacente questo comportamento perché non sono progettati per l'acqua in queste condizioni estreme.

Grazie alla rapida sequenza di flash dell'XFEL europeo, i ricercatori sono stati in grado di osservare il processo nei minimi dettagli. "Ciò che rende unico l'XFEL europeo è l'alto tasso di ripetizione, questo è, l'elevato numero di impulsi al secondo", spiega il coautore Adrian Mancuso, capo dello strumento SPB/SFX presso l'XFEL europeo dove si sono svolti gli esperimenti. "E abbiamo tutta la strumentazione a posto, come fotocamere veloci, diagnostica e altro ancora, per rendere possibili questi esperimenti". Ad esempio, l'Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD) sviluppato da un consorzio guidato da DESY può acquisire circa 350 immagini seriali a intervalli di soli 220 miliardesimi di secondo (nanosecondi).

Questa configurazione non solo ha permesso di generare l'acqua surriscaldata, ma ha anche permesso agli scienziati di eseguire serie di esperimenti controllati con precisione con lampi di raggi X di intensità ridotta. "Utilizzando filtri di silicio, abbiamo messo a punto l'energia degli impulsi in modo da poter controllare esattamente quanto l'acqua è stata riscaldata, " riferisce Lehmkühler. "Ad esempio, siamo stati in grado di determinare quanto dovrebbero essere forti i lampi di raggi X in modo che la temperatura di un campione acquoso rimanga più o meno costante".

Ciò consente ai ricercatori di pianificare meglio gli esperimenti con campioni sensibili al calore al laser a raggi X, Per esempio. D'altra parte, l'effetto di riscaldamento può essere utilizzato anche in modo mirato, se se ne conosce l'esatto andamento. Il team prevede di approfondire questi effetti anche nell'ambito del Center for Molecular Water Science (CMWS), che è attualmente in fase di allestimento presso DESY.

"I nostri risultati non solo forniscono la sorprendente osservazione di una dinamica anomala, ma traccia anche un quadro dettagliato di come i campioni acquosi si riscaldano nel laser a raggi X, " riassume il ricercatore capo Gerhard Grübel di DESY, uno dei coordinatori CMWS. "Inoltre, le indagini dimostrano che tali immagini seriali sono possibili all'XFEL europeo e che i suoi flash sono estremamente uniformi in ogni treno di impulsi".