Forschung & Entwicklung

Schnelles laserbasiertes Erhitzen von Wasser

Per Röntgenlaser lässt sich Wasser in 75 Femtosekunden von Zimmertemperatur auf 100 000 Grad Celsius aufheizen. Dies soll neue Einblicke in die besonderen Eigenschaften der Flüssigkeit ermöglichen.

Forscher schossen mit dem Freie-Elektronen-Laser LCLS am US-Forschungszentrum SLAC ultrakurze und hochintensive Röntgenblitze auf einen feinen Wasserstrahl. Das sei sicherlich nicht der übliche Weg, Wasser zu kochen, erläutert Forschungsleiter Carl Caleman vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) bei DESY. Auf der molekularen Ebene ist Hitze gleich Bewegung. Je heißer, desto stärker bewegen sich die Moleküle eines Stoffs. Das lässt sich beispielsweise durch Wärmeübertragung auf einer heißen Herdplatte erreichen, oder im Fall von Wasser direkter mit einem Mikrowellenofen.

 „Unsere Heizung ist ganz anders“, betont Caleman. Der energiereiche Röntgenblitz schlägt die Elektronen aus den Wassermolekülen hinaus und zerstört so die Balance der elektrischen Ladung. Die Atome spüren plötzlich eine starke abstoßende Kraft und beginnen, sich heftig zu bewegen. In weniger als 75 Femtosekunden durchläuft das Wasser eine Phasenumwandlung von flüssig zu einem Plasma.  Während aus dem flüssigen Wasser ein Plasma entsteht, behält es jedoch die Dichte des flüssigen Wassers bei, da die Atome noch keine Zeit hatten, sich nennenswert zu bewegen. Dieser exotische Zustand kommt auf der Erde nirgends natürlicherweise vor.

Die Forscher nutzten ihre Messungen, um Computersimulationen des Prozesses zu validieren. Die Messungen und Simulationen zusammen erlauben eine nähere Untersuchung dieses exotischen Zustands, um die allgemeinen Eigenschaften von Wasser besser zu verstehen. Wasser besitzt verschiedene Anomalien, etwa bei der Dichte, der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit. Unter anderem diese Anomalien sollen im Rahmen des künftigen, bei DESY geplanten Centre for Water Science (CWS; Zentrum für Wasserforschung) genauer untersucht werden, und Beobachtungen wie die jetzt vorgestellte sind für diese Vorhaben von großer Relevanz.

Abgesehen von ihrer grundlegenden Bedeutung haben die Ergebnisse auch direkte Konsequenzen für die Forschung mit Röntgenlasern, mit denen Wissenschaftler unter anderem die atomare Struktur winziger Proben untersuchen. Sie seien für jedes Röntgenlaserexperiment mit Flüssigkeiten von Bedeutung, betont Kenneth Beyerlein vom CFEL. „Tatsächlich wird jede Probe, die man in den Röntgenstrahl hält, auf die von uns beobachtete Art und Weise zerstört. Das muss bei der Untersuchung von allen nichtkristallinen Proben bedacht werden.“ Für Kristalle haben Forscher gezeigt, dass sich ein nutzbares Signal gewinnen lässt, bevor die Probe zerstört wird.

In dem Experiment gab es in den ersten 25 Femtosekunden nahezu keine strukturellen Veränderungen im Wasser. Nach 75 Femtosekunden sind Veränderungen dagegen bereits deutlich sichtbar. Die Studie führt zu einem besseren Verständnis, was mit verschiedenen Proben geschieht. Die Beobachtungen sind auch wichtig für die Entwicklung von Techniken zur Untersuchung einzelner Moleküle oder anderer winziger Partikel mit Röntgenlasern.

An der Studie waren die Universität Uppsala, SLAC, das Lawrence Livermore National Laboratory, die Universität Hamburg, das Hamburg Center for Ultrafast Imaging, das Center for Free-Electron Laser Science und DESY beteiligt.

Originalveröffentlichung:

[K. R. Beyerlein et al., Ultrafast non-thermal heating of water initiated by an X-ray Free-Electron Laser, PNAS (2018), DOI: 10.1073/pnas.1711220115]

von mn

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