一個(gè)研究小組使用X射線激光歐洲XFEL研究了極端條件下水是如何加熱的。在此過(guò)程中，科學(xué)家們甚至可以觀察到即使在170攝氏度以上的溫度下仍為液態(tài)的水。調(diào)查顯示在這些條件下水的動(dòng)態(tài)行為異常。這項(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)上，對(duì)于計(jì)劃和分析使用X射線激光進(jìn)行的敏感樣品的研究具有至關(guān)重要的意義。

歐洲XFEL是一個(gè)國(guó)際研究機(jī)構(gòu)，其范圍從漢堡的DESY站點(diǎn)延伸至石勒蘇益格-荷爾斯泰因州相鄰的Schenefeld鎮(zhèn)，是世界上功能最強(qiáng)大的X射線激光的所在地。每秒可產(chǎn)生多達(dá)27 000次強(qiáng)烈的X射線閃光。對(duì)于他們的實(shí)驗(yàn)，研究人員分別使用了120次閃爍。單獨(dú)的閃爍間隔不到百萬(wàn)分之一秒(精確到0.886微秒)?？茖W(xué)家將這些脈沖序列發(fā)送到一個(gè)充滿水的石英玻璃細(xì)管中，觀察水的反應(yīng)。

“我們問(wèn)自己，X射線激光器中的水可以加熱多長(zhǎng)時(shí)間和強(qiáng)度，以及水是否仍然像水一樣，” DESY的主要作者FelixLehmkühler解釋說(shuō)。“例如，它在高溫下是否仍可用作冷卻劑?” 對(duì)于大量對(duì)熱敏感樣品(例如聚合物或生物樣品)的研究，對(duì)過(guò)熱水的詳細(xì)了解也是必不可少的。

Lehmkühler說(shuō)：“借助X射線閃光，我們能夠在十分之一秒的時(shí)間內(nèi)將水加熱到172攝氏度而不會(huì)蒸發(fā)。” 通常只能在高達(dá)約110攝氏度的溫度下觀察到這種沸騰延遲。這位物理學(xué)家強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“但這不是唯一的異常特征。” 科學(xué)家研究了漂浮在水中的硅納米球的運(yùn)動(dòng)，以此作為樣品動(dòng)力學(xué)的標(biāo)志。Lehmkühler說(shuō)：“在極度過(guò)熱的水中，我們觀察到二氧化硅納米球的運(yùn)動(dòng)明顯偏離了預(yù)期的隨機(jī)布朗分子運(yùn)動(dòng)。這表明樣品的加熱不均勻。”

由于采用了歐洲XFEL 的快速閃光序列，研究人員能夠極其詳細(xì)地觀察該過(guò)程。“使歐洲XFEL獨(dú)樹(shù)一幟的是高重復(fù)率，即每秒高的脈沖數(shù)”，實(shí)驗(yàn)發(fā)生的歐洲XFEL SPB / SFX儀器負(fù)責(zé)人阿德里安·曼庫(kù)索(Adrian Mancuso)解釋說(shuō)。“而且我們擁有所有儀器，例如快速攝像頭，診斷程序等等，以使這些實(shí)驗(yàn)成為可能”。例如，由DESY領(lǐng)導(dǎo)的財(cái)團(tuán)開(kāi)發(fā)的自適應(yīng)增益積分像素檢測(cè)器(AGIPD)可以以大約220億分之一秒(納秒)的間隔拍攝約350個(gè)串行圖像。

這種設(shè)置不僅可以產(chǎn)生過(guò)熱的水，而且還使科學(xué)家能夠使用強(qiáng)度降低的X射線閃光燈進(jìn)行精確控制的一系列實(shí)驗(yàn)。“使用硅過(guò)濾器，我們微調(diào)了脈沖的能量，使我們能夠控制到底有多少水進(jìn)行加熱處理，”報(bào)告Lehmkühler。“例如，我們能夠確定X射線閃光的強(qiáng)度，以使水性樣品的溫度或多或少保持恒定”。

例如，這使研究人員可以更好地計(jì)劃使用X射線激光對(duì)熱敏感樣品進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。另一方面，如果已知確切的加熱過(guò)程，也可以有針對(duì)性地使用加熱效果。該小組還計(jì)劃在分子水科學(xué)中心(CMWS)的框架內(nèi)進(jìn)一步研究這些影響，該中心目前正在DESY建立。

“我們的結(jié)果不僅提供了異常動(dòng)態(tài)的令人驚訝的觀察結(jié)果，而且還繪制了含水樣品在X射線激光中如何加熱的詳細(xì)圖片，”來(lái)自CMWS協(xié)調(diào)員之一的DESY的首席研究員GerhardGrübel總結(jié)道。“此外，研究證明，在歐洲XFEL上可以得到這樣的串行圖像，并且在每個(gè)脈沖序列中其閃光都非常均勻”。