گرمایش ۱۰۰ هزار درجه آب در کمتر از ۱۰ پیکوثانیه با لیزر اشعه ایکس

پژوهشگران با استفاده از یک لیزر قدرتمند که از خود اشعه ایکس ساطع می‌کند، مقداری آب را در کمتر از ۱۰ پیکوثانیه (هر پیکوثانیه برابر با یک تریلیونم ثانیه است) از دمای اتاق (۲۰ درجه سانتی‌گراد) به ۱۰۰ هزار درجه سانتی‌گراد رساندند. این مجموعه‌‌ی آزمایشی که می‌توان آن را سریع‌ترین گرم‌کننده‌ی آب نامید، حالتی عجیب و ناشناخته از آب را تولید کرد. از این رو پژوهشگران امیدوارند با مطالعات بیشتر، درباره خواص عجیب و ناشناخته‌ی آب که فراوان‌ترین و مهم‌ترین مایع کره‌ی زمین است، اطلاعات بیشتری کسب‌ کنند. این مشاهدات همچنین کاربردهایی در زمینه‌ی، کاوش‌های بیولوژیکی و آشنایی با لیزر‌های اشعه‌ی ایکس دارد. تیم کارل کالمان از طرف مؤسسه‌ی CFEL و دانشگاه آپسالای سوئد مسئول انجام این پژوهش بود و گزارش خود را در ژورنال PNAS منتشر کرد.

پژوهشگران با استفاده از لیزر الکترون آزاد در آزمایشگاه SLAC (زیرمجموعه دانشگاه استنفورد) در آمریکا، شلیک‌های بسیار شدید و فوق‌العاده کوتاهی از اشعه‌ای ایکس به جریانی سریع از آب داشتند.

کالمان می‌گوید:

کار ما روش متداولی برای به جوش آوردن آب نیست!
در حالت معمول، وقتی آب را گرم می‌کنیم، تکان‌ خوردن مولکول‌ها بیشتر و بیشتر می‌شود. در حالت مولکولی، گرما رابطه‌ی مستقیمی با حرکت دارد؛ هرچه جسمی گرم‌تر شود، سرعت حرکت مولکول‌هایش بیشتر خواهد شد. به‌عنوان مثال در اجاق گاز یا اگر کمی دقیق‌تر باشیم، در مایکروفر به‌وسیله‌ی گشتاور مغناطیسی که ایجاد می‌شود، سرعت حرکت مولکول‌های آب افزایش می‌یابد و آن‌ها متناوبا، جلو و عقب می‌روند که در نهایت این عمل باعث انتقال گرما و گرم یا پخته شدن غذای‌ می‌شود.

کالمان در ادامه توضیح می‌دهد:

سازوکار ایجاد گرمایش در پژوهش ما، اساسا متفاوت است.
پرتوهای پرانرژی ایکس، الکترون را از داخل مولکول آب، خارج می‌کنند؛ بنابراین تعادل بار الکتریکی بر هم می‌خورد و اتم در واکنش به این نیروی دفع‌کننده، شروع به حرکت ناگهانی و سریع می‌کند، به بیان دیگر، با خارج شدن الکترون از داخل مولکول و برهم خوردن تعادلی که باعث شده‌ بود برآیند تمام نیروهای ذرات زیراتمی، صفر و اصطلاحا اتم در حالت پایدار باشد، پروتون‌ها شروع به دفع یک‌دیگر می‌کنند و در ادامه اتم حرکت می‌کند تا دوباره به حالت پایدار خود برسد!

آب در کمتر از ۷۵ فمتوثانیه، از حالت مایع به حالت پلاسما تغییر فاز می‌دهد. پلاسما حالتی است که در آن اتم‌ها، الکترون از دست داده‌اند و به‌صورت یون گازی هستند

اولوف جانسون، یکی دیگر از نگارنده‌های این مقاله، می‌افزاید:

... اما هنگامی که آب از حالت مایع به پلاسما تبدیل می‌شود، تغییری در چگالی‌ آن به وجود نمی‌آید؛ زیرا اتم‌ها در این زمان اندک، جابه‌جایی قابل توجهی نداشته‌اند. این حالت عجیب از ماده، ویژگی‌های مشابه بسیاری با پلاسمای خورشید و گاز موجود در سیاره بزرگ مشتری دارد؛ اما چگالی‌ آن کمتر و در عین‌حال گرم‌تر از هسته زمین است.

پژوهشگران برای اعتبار بخشیدن به روند شبیه‌سازی، اندازه‌گیری دقیق را نیز در دستور کار خود قرار دادند. اندازه‌گیری و شبیه‌سازی در کنار هم، می‌تواند ابزار مناسبی برای، افزایش اطلاعات عمومی درباره آب و در عین‌حال بررسی حالت عجیب آن باشد.

جانسون تأکید می‌کند:

آب، حقیقتا مایع عجیبی است. شاید اگر همین ویژگی‌های عجیب نبود، بسیاری پدیده‌ها نظیر حیات در کره‌ی زمین وجود نداشت!
آب ویژگی‌های استثنایی و خاصی در خود جای داده‌ است؛ چگالی غیر عادی و بالا بودن گرمای ویژه، گوشه‌ای از ناهنجاری‌های این مایع است. باتوجه به برنامه‌ریزی‌های مرکز جهانی آب، در آینده‌ای نه‌چندان دور، ویژگی‌های خاص و منحصربه‌فرد دیگری از این مایع کشف خواهد شد و نتایج به‌دست‌آمده، اهمیت زیادی برای فعالیت‌‌های بشری دارد.

کِنِت بیرین، دیگر نویسنده‌ی این مقاله، ادامه می‌دهد:

این مطالعه و بررسی، جدا از اهمیتی که در زمینه‌ی بنیادی علم دارد، باعث آشنایی بیشتر با لیزر‌های پرتوی ایکس می‌شود؛ چرا که غالبا از این دستگاه برای یافتن ذرات زیرات زیراتمی استفاده می‌شود و کاربرد فراوانی در آزمایش‌هایی دارد که شامل مایعات و لیزرپرتوایکس هستند.
در حقیت می‌توان گفت هرنمونه‌ای که کریستال نباشد، اگر در مقابل پرتوایکس قرار دهیم، ساختار هسته‌اش به شیوه‌ای که ما مشاهده و در مقاله تجزیه‌وتحلیل کردیم، تخریب می‌شود!

نیکسور تیمنیو، یکی دیگر از پژوهشگران کلیدی حاضر در این مطالعات در پایان گفت:

اندازه‌گیری‌ نشان می‌دهد که پس از شلیک پرتو ایکس و بر هم‌ زدن تعادل، در ۲۵ فمتوثانیه‌ی اول، هیچ‌گونه تغییری در ساختار ایجاد نمی‌شود؛ اما پس از ۷۵ فمتوثانیه، تغییرات کاملا مشهود و قابل دیدن است. مشاهدات‌ و بررسی‌های‌ ما، می‌تواند باعث ایجاد تکنیک‌های بهتر و مؤثرتری برای آشکارسازی تک‌مولکول‌ها یا دیگرذرات بسیار ریز، به وسیله لیزر پرتو ایکس شود!

اگر تمایل دارید تا به عنوان یکی از نویسنده‌های انتشارات SCIENCE PLUS در ویرگول فعالیت کنید. به من اطلاع دهید!