Физики нагрели воду до 100 000 K за 75 фемтосекунд и рассмотрели тёплое плотное вещество +17


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 см?), 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/см?) 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 Jonsson) 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).

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (12):

  1. mistergrim
    /#10785637

    Примерно через 70 фемтосекунд (квадриллионных долей секунды)

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

    Разногласия наблюдаю я.

    • OKyJIucT
      /#10786005 / +3

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

      • Zhrun
        /#10786669

        Фемто — десять в минус пятнадцатой степени
        Квинтиллион — десять в восемнадцатой степени
        Квадриллион — десять в пятнадцатой степени

  2. Regis
    /#10786077

    Так какие результаты-то нагрева и наблюдения тела? А то получается, что сама возможность нагрева вещества лазерным импульсом — новость.

  3. lostmsu
    /#10786439 / +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.

    • Kir1564
      /#10788063 / +1

      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.

      • lostmsu
        /#10788069

        А не могли бы вы привести пример отличающихся свойств?

        • Kir1564
          /#10788571

          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.

  4. eXtremalpro
    /#10786713

    большинство молекул воды уже распадается на водород (белый) и кислород (красный).
    — новый способ получения. А на сколько затратный?

    • Pshir
      /#10787007

      Бесконечно затратный.

  5. Vinchi
    /#10787559 / -1

    раздолбали молекулы воды на атомы рентгеном и чо! Столько абзацев и никакой практической стороны.

  6. LK85
    /#10788061 / -1

    Умеют воду лить из пустого в порожнее в этом самом пресловутом «центре науки о воде». Британские учёные могут только позавидовать.