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摄氏170度的液态水:X射线激光显示超快速加热时的异常动力学

X射线 激光器
发布:2020-09-18 14:46:24    

欧洲XFEL(紫色)的X射线闪光不仅会加热水(红色和白色分子),而且还会产生样品(背景)的衍射图样,从中可以确定每次闪光后的水状态。图片提供:DESY,Britta Liebaug

一个研究小组使用X射线激光欧洲XFEL研究了极端条件下水是如何加热的。在此过程中,科学家们甚至可以观察到即使在170摄氏度以上的温度下仍为液态的水。调查显示在这些条件下水的动态行为异常。该研究的结果发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,对于计划和分析使用X射线激光进行的敏感样品的研究具有根本的重要性。

欧洲XFEL是一个国际研究机构,其范围从汉堡的DESY站点延伸到石勒苏益格-荷尔斯泰因州相邻的Schenefeld镇,是世界上功能最强大的X射线激光的所在地。每秒可产生多达27 000次强烈的X射线闪光。对于他们的实验,研究人员分别使用了120次闪烁。单独的闪烁间隔不到百万分之一秒(精确到0.886微秒)。科学家将这些脉冲序列发送到一个充满水的石英玻璃细管中,观察水的反应。

“我们问自己,X射线激光器中的水可以加热多长时间和强度,以及水是否仍然像水一样,” DESY的主要作者FelixLehmkühler解释说。“例如,它在高温下是否仍可用作冷却剂?” 对于大量热敏感样品(例如聚合物或生物样品)的研究,对过热水的详细了解也是必不可少的。

Lehmkühler说:“借助X射线闪光,我们能够在十分之一秒的时间内将水加热到172摄氏度而不会蒸发。” 通常只能在高达约110摄氏度的温度下观察到这种沸腾延迟。这位物理学家强调说:“但这并不是唯一的异常特征。” 科学家研究了漂浮在水中的硅纳米球的运动,以此作为样品动力学的标志。Lehmkühler说:“在极度过热的水中,我们观察到二氧化硅纳米球的运动明显偏离了预期的随机布朗分子运动。这表明样品的加热不均匀。”

由于采用了欧洲XFEL 的快速闪光序列,研究人员能够极其详细地观察该过程。“使欧洲XFEL独树一帜的是高重复率,即每秒高的脉冲数”,实验发生的欧洲XFEL SPB / SFX仪器负责人阿德里安·曼库索(Adrian Mancuso)解释说。“而且我们拥有所有仪器,例如快速摄像头,诊断程序等等,以使这些实验成为可能”。例如,由DESY领导的财团开发的自适应增益积分像素检测器(AGIPD)可以以大约220亿分之一秒(纳秒)的间隔拍摄约350个串行图像。

这种设置不仅可以产生过热的水,而且还使科学家能够使用强度降低的X射线闪光灯进行精确控制的一系列实验。“使用硅过滤器,我们微调了脉冲的能量,使我们能够控制到底有多少水进行加热处理,”报告Lehmkühler。“例如,我们能够确定X射线闪光的强度,以使含水样品的温度或多或少保持恒定”。

例如,这使研究人员可以更好地计划使用X射线激光对热敏感样品进行的实验。另一方面,如果已知确切的加热过程,也可以有针对性地使用加热效果。该小组还计划在分子水科学中心(CMWS)的框架内进一步研究这些影响,该中心目前正在DESY建立。

“我们的结果不仅提供了异常动态的令人惊讶的观察结果,而且还绘制了含水样品在X射线激光中如何加热的详细图片,”来自CMWS协调员之一的DESY的首席研究员GerhardGrübel总结道。“此外,研究证明,在欧洲XFEL上可以得到这样的串行图像,并且在每个脉冲序列中其闪光都非常均匀”。

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