科学家们使用强大的X射线激光将水从室温加热到10万摄氏度，时间不到十分之一皮秒（百万分之一的百万分之一秒 10-9）。这个可以被视为世界上最快的...
科学家们使用强大的X射线激光将水从室温加热到10万摄氏度，时间不到十分之一皮秒（百万分之一的百万分之一秒 10-9）。这个可以被视为世界上最快的热水器的实验装置产生了一种奇特的水状态，研究人员希望更多地了解地球上这个最重要的液体的特有特征。这些观察结果对于用X射线激光探测生物和许多其他样品也有实际用途。DESY和乌普萨拉大学（瑞典）的自由电子激光科学中心（CFEL）的Carl Caleman团队在美国国家科学院院刊（PNAS）上报告了其发现。
研究人员在美国SLAC国家加速器实验室使用X射线自由电子激光直线加速器相干光源LCLS，在水射流处拍摄极其强烈的超短闪光X射线。“这不是通常的加热水方式，”Caleman说。“通常，当你加热水时，分子运动就会越来越强烈。” 在分子水平上，热量是运动 – 热量越大，分子运动越快。这可以通过例如来自炉子的热传递来实现，或者更直接地通过微波来实现，这使得水分子在电磁场的作用下来回摆动得更快。
Caleman解释说：“我们的加热方法基本不同。“充满活力的X射线将电子从水分子中击出，从而破坏电荷的平衡，所以突然间原子就会感受到强烈的排斥力并开始剧烈运动。” 在不到75飞秒（10-12）的时间内，水经历了从液体到等离子体的相变。等离子体是电子已经从原子中去除后的物质状态，导致一种带电的气体。
“但是当水从液体转变为等离子体时，它仍然保持在液态水的密度，因为原子没有时间显着移动，”合作者乌普萨拉大学的OlofJönsson说。这种奇特的物质状态在地球上是无法自然找到的。“它具有与太阳中的一些等离子体和天然气巨人木星相似的特性，但密度较低，同时比地球核心热。”
科学家们使用他们的测量来验证过程的模拟。测量和模拟结合在一起，可以研究这种其它情况下的水状况，以便更多地了解水的一般特性。“水真的是一种奇怪的液体，如果不是因为它的特有特性，地球上的许多东西不会像它们那样，尤其是生命，”Jönsson强调。水显示出许多异常，包括密度，热容量和热导率。它将在DESY计划的未来水科学中心（CWS）内对这些异常情况进行调查，所得结果对于那里的活动非常重要。
除了它的根本意义之外，这项研究也具有直接的现实意义。X射线激光器通常用于研究微小样品的原子结构。“对于任何涉及X射线激光器液体的实验来说，这一点非常重要，”合作者，CFEL的Kenneth Beyerlein说。“事实上，你放入X射线束的任何样品都会按照我们观察到的方式被破坏，如果你分析的不是晶体，你必须考虑这一点。”
这些测量结果显示，在X射线脉冲开始击中之后，在25飞秒的水中几乎没有结构变化。但在75飞秒下，变化已经很明显。“该研究让我们更好地了解我们对不同样本做了什么，”合作者来自乌普萨拉大学的Nicusor Timneanu解释道，他是开发所用理论模型的关键科学家之一。“它的观察结果对于开发用X射线激光成像单个分子或其他微小颗粒的技术的发展也很重要。”