Calientan agua a 100.000 grados en 0,000.000.000.000.075 segundos

Láser de rayos X
CFEL
Actualizado 16/05/2018 10:16:40 CET

MADRID, 14 May. (EUROPA PRES) -

Un potente láser de rayos X se ha usado para calentar agua desde temperatura ambiente a 100.000 grados Celsius en menos de una décima parte de un picosegundo (una millonésima de millonésima de segundo).

      La configuración experimental, que puede verse como el calentador de agua más rápido del mundo, produjo un estado de agua exótico, del cual los investigadores esperan aprender más sobre las características peculiares del líquido más importante de la Tierra.

Las observaciones también tienen un uso práctico para el sondeo biológico y muchas otras muestras con rayos X de rayos láser. El equipo de Carl Caleman, del Centro para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL, por sus siglas en inglés) en DESY y la Universidad de Uppsala (Suecia), informa sobre sus hallazgos en la revista 'Proceedings of the National Academy of Sciences' (PNAS).

Los investigadores utilizaron el láser de electrones libres 'Linac Coherent Light Source' LCLS en el laboratorio 'SLAC National Accelerator Laboratory' en Estados Unidos para disparar flashes extremadamente intensos y ultracortos de rayos X en un chorro de agua. "No es la forma habitual de hervir el agua --dice Caleman--. Normalmente, cuando calientas agua, las moléculas se agitan más y más fuerte".

En el nivel molecular, el calor es el movimiento: cuanto más caliente, más rápido es el movimiento de las moléculas. Esto se puede lograr, por ejemplo, a través de la transferencia de calor desde una estufa, o más directamente con microondas que hacen que las moléculas de agua oscilen hacia adelante y hacia atrás cada vez más rápido en el paso con el campo electromagnético.

"Nuestra calefacción es fundamentalmente diferente --explica Caleman--. Los rayos X energéticos sacan electrones de las moléculas de agua, destruyendo así el equilibrio de las cargas eléctricas. De repente, los átomos sienten una fuerte fuerza repulsiva y comienzan a moverse violentamente". En menos de 75 femtosegundos, es decir, 75 millonésimas de una milmillonésima de segundo o 0,000.000.000.000.075 segundos, el agua atraviesa una transición de fase de líquido a plasma. Un plasma es un estado de la materia donde los electrones se han eliminado de los átomos, lo que lleva a una especie de gas con carga eléctrica.

"Pero mientras el agua se transforma de líquido a plasma, aún permanece en la densidad del agua líquida, ya que los átomos no tuvieron tiempo para moverse significativamente todavía", dice el coautor Olof Jönsson de la Universidad de Uppsala. Este exótico estado de la materia no es nada que se pueda encontrar naturalmente en la Tierra. "Tiene características similares a algunos plasmas en el sol y el gigante de gas Júpiter, pero tiene una densidad menor. Mientras tanto, es más caliente que el núcleo de la Tierra", subraya.

EL AGUA, UN ELEMENTO CON MUCHAS ANOMALÍAS

Los científicos usaron sus medidas para validar las simulaciones del proceso. Juntas, las mediciones y simulaciones permiten estudiar este exótico estado del agua para aprender más sobre las propiedades generales del agua. "El agua en realidad es un líquido extraño, y si no fuera por sus características peculiares, muchas cosas en la Tierra no serían como son, particularmente la vida", enfatiza Jönsson.

El agua muestra muchas anomalías, incluidas su densidad, capacidad de calor y conductividad térmica. Esas anomalías se investigarán dentro del futuro Centro de Ciencias del Agua (CWS) planificado en DESY, y los resultados obtenidos son de gran importancia para las actividades que se realizan allí.

Además de su importancia fundamental, el estudio también tiene relevancia práctica inmediata. Los láseres de rayos X se usan a menudo para investigar la estructura atómica de muestras diminutas. "Es importante para cualquier experimento que involucre líquidos en láseres de rayos X --dice el coautor Kenneth Beyerlein, de CFEL--. De hecho, cualquier muestra que coloques en el haz de rayos X se destruirá de la manera que observamos. Si analizas cualquier cosa que no sea un cristal, debes considerar esto".

Las mediciones no muestran casi ningún cambio estructural en el agua hasta 25 femtosegundos después de que el pulso de rayos X comienza a golpearla; pero a los 75 femtosegundos, los cambios ya son evidentes. "El estudio nos da una mejor comprensión de lo que hacemos con diferentes muestras --explica el coautor Nicusor Timneanu de la Universidad de Uppsala, uno de los científicos clave que desarrolló el modelo teórico utilizado--. Sus observaciones también son importantes a considerar para el desarrollo de técnicas para obtener imágenes de moléculas individuales u otras partículas diminutas con láser de rayos X".