Institutionen för fysik och astronomi

Pressmeddelande: Röntgenlaser kokar vatten på mindre än en miljondels miljondels sekund

2018-05-15

Uppsalaforskare har i ett internationellt samarbete lyckats hetta upp vatten från rumstemperatur till 100 000 grader på mindre än en miljondels miljondels sekund med hjälp av en röntgenlaser som kan ses som världens snabbaste vattenkokare. Forskningsresultaten publiceras i den vetenskapliga tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS.

Bilden visar hur vattnet snabbt bryts sönder och byter struktur. Bild: Carl Caleman.

I experimentet besköts en mikrometertunn vattenstråle med högintensiva och ultrakorta pulser av röntgenstrålar med frielektronlasern Linac Coherent Light Source vid SLAC National Accelerator Laboratory i USA. De högenergiska röntgenstrålarna slår ut elektroner ur vattenmolekylerna, vilket rubbar bindningarna mellan syret och vätet i vattnet. Detta medför att atomerna repellerar varandra och börjar röra sig väldigt snabbt medan temperaturen i vattnet höjs extremt hastigt.

– Det är inte det vanliga sättet man kokar vatten på. Det som vanligtvis händer när man kokar vatten är att molekylerna börjar röra på sig och ju snabbare molekylerna rör sig, desto varmare blir vattnet, säger Carl Caleman vid Uppsala universitet och Center for Free Electron Laser Science (CFEL) vid Deutsches Elektronen-Synchrotron.

På mindre än 75 femtosekunder (0,000 000 000 000 075 s) genomgår vattnet en fasövergång från vätska till plasma, det vill säga till ett tillstånd där elektronerna avlägsnats från atomerna som bildar en elektriskt laddad gas.

– När vattnet övergår från vätskefas till plasma behåller det samma densitet som flytande vatten på grund av att atomerna inte hinner förflytta sig när uppvärmningen sker så snabbt. Det här tillståndet är inget vi kan hitta naturligt på jorden. Det kan liknas vid plasma i solen och i Jupiter, men vid lägre densitet och dessutom varmare än temperaturen inuti jordens kärna, säger Olof Jönsson vid avdelningen för molekyl- och kondenserade materiens fysik vid Uppsala universitet.

För att förklara de experimentella resultaten i studien använde sig forskarna av teoretiska beräkningsmodeller. Resultaten från studien kan också komma att användas för att bland annat undersöka biologiska prover med hjälp av röntgenlaser.

– Observationerna från studien är också viktiga för framtida teknikutveckling för att kunna avbilda enstaka molekyler eller andra mindre partiklar med röntgenlaser, säger Nicusor Timneanu, som är en av nyckelforskarna som utvecklar den teoretiska modellen som använts i studien.

Studien är ett resultat av ett samarbete mellan nio forskargrupper i Tyskland, USA och Sverige. Forskningen har från den svenska delen av samarbetet letts av Carl Caleman vid Uppsala universitet och från tyskt håll av professor Henry Chapman, som sedan januari 2018 även är verksam vid Uppsala universitet.

Läs mer

Se en film om hur vattnet delar sig

Kontakt

Carl Caleman, forskare vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet, carl.caleman@physics.uu.se, tel: 018-471 3611, mobil: 0705-845687

Olof Jönsson, forskare vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet, olof.jonsson@physics.uu.se, mobil 070-308 89 12

Artikelreferens

Ultrafast non-thermal heating of water initiated by an X-ray Free-Electron Laser; Kenneth R. Beyerlein, H. Olof Jönsson, Roberto Alonso-Mori , Andrew Aquila, Saša Bajt, Anton Barty, Richard Bean, Jason E. Koglin, Marc Messerschmidt, Davide Ragazzon, Dimosthenis Sokaras, Garth J. Williams, Stefan Hau-Riege, Sébastien Boutet, Henry N. Chapman, Nicusor Tîmneanu, and Carl Caleman; Proceedings of the National Academy of Sciences PNAS, 2018; DOI:10.1073/pnas, 
https://doi.org/10.1073/pnas.1711220115

Camilla Thulin