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170℃的液态水在地球上是存在的!

2020-09-21 13:49:42 Cavan 5

利用欧洲XFEL x射线激光,一个研究小组研究了水在极端条件下是如何升温的。在这个过程中,科学家们观察到了温度超过170℃却仍保持液态状态的水。研究揭示了在这些条件下水的异常动态行为。这项研究的结果发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,该结果对于使用x射线激光进行敏感样本研究的计划和分析至关重要。


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图|欧洲XFEL的X射线闪光(紫色不仅会加热水(红色和白色分子),而且还会产生样品的衍射图案(背景),在每次闪光后,可以通过它来确定水的状态。


欧洲XFEL是一个国际研究机构,从汉堡的DESY站点延伸到与石勒苏益格-荷尔斯泰因州相邻的Schenefeld镇,拥有世界上最强大的X射线激光。它每秒可产生27000次强烈的X射线闪光。在他们的实验中,研究人员使用了120次连续闪光。单次闪光的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。


DESY的Felix Lehmkuhler说:“我们在问自己:水在x射线激光中可以加热多久?它能承受多强的能量?它是否仍然像水一样?比如,它在高温下还能作为冷却剂使用吗?” 对过热水的详细了解对于热敏感性样品的研究来说也是至关重要的,比如聚合物或生物样品。


“借助x射线闪光,我们能够在万分之一秒内将水加热到172℃同时不使其蒸发,”Lehmkuhler说道。这种沸腾延迟通常只能在大约110℃的温度下观察到。“但这并不是唯一的异常特征,”这位物理学家强调说。科学家们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记。“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。这表明样品加热不均匀。”Lehmkuhler说。现有的理论模型还不能完全解释这种行为,因为它们不是为这些极端条件下的水而设计的。


由于采用了欧洲XFEL的快速闪光序列,研究人员能够非常详细地观察这一过程。“欧洲XFEL的独特之处在于它的高重复频率,也就是每秒的高脉冲数,”欧洲XFEL SPB/SFX仪器的负责人Adrian Mancuso解释说,“为了让这些实验成为可能,我们已经准备好了所有的仪器,比如快速照相机、诊断仪器等等。”例如,由DESY领导的联盟开发的自适应增益积分像素检测器(AGIPD)可以在仅220亿分之一秒(纳秒)的间隔内拍摄大约350幅连续图像。


这种装置不仅能产生过热的水,而且还能使科学家们用稍低强度的x射线闪光进行精确控制的一系列实验。Lehmkuhler表示:“使用硅过滤器,我们可以微调脉冲能量,这样我们就能够精确控制水加热的程度。例如,我们能够确定x射线闪光的强度,使得水样的温度大概保持恒定。”


这使研究人员能够更好地计划在x射线激光下对热敏性样品进行的实验。另一方面,如果知道热效应的确切过程,也可以有针对性地使用热效应。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效应,该中心目前正在DESY建立。


DESY的首席研究员,也是CMWS协调员之一的Gerhard Grubel总结道:“我们的结果不仅提供了一个动态异常的令人诧异的观察结果,而且绘制了水如何在x射线激光中被加热的详细图片。此外,这个研究证明,欧洲XFEL出现这样的连续图像是有可能的,并且在每个脉冲序列中其闪光都非常均匀。”



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