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世界上最快的热水器-不到十分之一皮秒

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科学家们使用强大的X射线激光器将水从室温加热到100,000摄氏度 ， 不到十分之一皮秒(百万分之一秒) 。实验装置可以被视为世界上最快的热水器 ， 产生了异国情调的水 ， 研究人员希望从中了解更多有关地球最重要液体的特殊特征 。该观察结果还具有用X射线激光探测生物和许多其他样品的实际用途 。来自DESY和乌普萨拉大学(瑞典)自由电子激光科学中心(CFEL)的Carl Caleman团队在“ 科学院院刊”(PNAS)上发表了研究报告 。
研究人员在SLAC加速器实验室使用X射线自由电子激光Linac相干光源LCLS ， 在水射流下拍摄极其强烈和超短的X射线闪光 。“这当然不是煮沸水的常用方法 ， ”卡莱曼说 。“通常情况下 ， 当你加热水时 ， 分子就会变得越来越强烈 。”在分子水平上 ， 热是运动 - 热量越快 ， 分子的运动就越快 。这可以通过例如来自炉子的热传递来实现 ， 或者更直接地利用微波来实现 ， 所述微波使得水分子与电磁场同步地来回摆动得更快 。
“我们的供暖根本不同” ， Caleman解释道 。“高能X射线将电子从水分子中冲出来 ， 从而破坏了电荷的平衡 。因此 ， 突然原子会感受到一股强烈的排斥力并开始猛烈地移动 。“在不到75飞秒 ， 即十亿分之一秒的75百万分之一或0.000 000 000 075秒 ， 水从液体到相变等离子体 。等离子体是物质的状态 ， 其中电子已从原子中移除 ， 导致一种带电气体 。
【世界上最快的热水器-不到十分之一皮秒】“但是当水从液体转变为等离子体时 ， 它仍然保持在液态水的密度 ， 因为原子还没有时间显着移动 ， ”乌普萨拉大学的共同作者OlofJ?nsson说 。这种充满异国情调的物质在地球上自然找不到 。“它具有与太阳中的一些等离子体和气体巨星木星相似的特征 ， 但密度较低 。与此同时 ， 它比地球核心更热 。“
科学家们使用他们的测量来验证过程的模拟 。通过测量和模拟 ， 他们可以研究这种奇特的水状态 ， 以便更多地了解水的一般特性 。“水确实是一种奇怪的液体 ， 如果不是因为它的特殊性质 ， 地球上的许多东西都不会像它们那样 ， 特别是生命” ， 约森强调说 。水显示出许多异常 ， 包括其密度 ， 热容量和导热系数 。正是这些异常将在DESY计划的未来水科学中心(CWS)内进行调查 ， 所获得的结果对那里的活动非常重要 。
除了其基本意义外 ， 该研究还具有直接的实际意义 。X射线激光通常用于研究微小样品的原子结构 。CFEL的共同作者Kenneth Beyerlein说：“对于任何涉及X射线激光液体的实验来说 ， 这都很重要 。” “事实上 ， 你放入X射线束的任何样本都会以我们观察到的方式被破坏 。如果你分析任何不是晶体的东西 ， 你必须考虑这个 。“对于晶体 ， 其他研究表明 ， 在晶体被破坏之前可以记录信号 。
在X射线脉冲开始撞击之后 ， 测量结果显示水中几乎没有结构变化 ， 直到25飞秒 。但是在75飞秒时 ， 变化已经很明显 。“这项研究让我们更好地了解了我们对不同样品所做的工作 ， ”共同作者乌普萨拉大学的Nicusor Timneanu解释说 ， 他是开发所用理论模型的关键科学家之一 。“对于开发用X射线激光成像单个分子或其他微小颗粒的技术 ， 其观察结果也很重要 。”

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