圖注：強X-射線脈衝作用下，對前70飛秒內水分子和原子的運動情況的模擬。用實驗數據驗證動力學的理論模型。
科學家利用一種強力的X-射線激光，僅用時約0.1皮秒（1皮秒等於一萬億分之一秒），即可將水從室溫升溫至10萬攝氏度。這種加熱裝置，可謂世界上最快的熱水器了。它可以使水進入一種特殊狀態，研究人員希望藉此瞭解更多關於水的奇妙特性。相關研究結果對於生物探測和其他涉及X-射線激光的領域也有實際用途。近日，德國電子同步加速器研究所（DESY）的自由電子激光科學中心（CFEL）的Carl Caleman研究團隊與瑞典烏普薩拉大學在《美國國家科學院院刊》發佈了這一成果。
研究人員利用斯坦福直線加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室的X-射線自由電子激光直線加速器相干光源（LCLS）產生的超強、超短波X-射線對一股水流進行了照射。Caleman說：“這並非通常的加熱水的方式。一般情況下，水被加熱後，水分子的振動會越發劇烈。”在分子水平上，溫度越高，分子運動越快。這是可以實現的，例如使用火爐加熱或者微波作用。“我們的加熱方式就完全不同了，”Caleman解釋說，“高能X-射線將電子從水分子中擊出，從而破壞了電荷平衡。因此，原子在突然間產生了強大的排斥力，並開始劇烈運動。”在不足75飛秒（1皮秒等於1000飛秒）的時間內，水經歷了從液體到等離子體（一種物質狀態，電子被從原子中移除，形成帶電氣體）的相變。
論文合著者、烏普薩拉大學的Olof Jönsson說：“但是，當水從液體變為等離子體時，由於原子沒有足夠的時間移動，它仍然會保持液體水的密度。”這種奇異的物質狀態並不在地球上天然存在。它與太陽和氣體巨星（木星）上的等離子體具有相似特性，但密度更低。此外，它的溫度比地核高。
科學家利用實驗驗證了對該過程的模擬。結合實驗和模擬結果，可以對水的奇特狀態進行研究。Jönsson強調說，水確實是一種奇特的物質。如果不是因為水的特殊性質，可能地球將不是現在的模樣。水在密度、熱容和熱導率等方面均體現出奇異性，DESY的水科學中心（CWS）將對這一系列異象展開研究，其結果將對水研究產生重要作用。
X-射線加熱水的研究也具有直接的現實意義。論文合著者、CFEL的Kenneth Beyerlein說：“這對於涉及液體的X-射線實驗很重要。事實上，任何用X-射線觀測的樣品都會被其摧毀。如果觀測對象不是晶體，那你就必須對此加以考慮。”實驗發現，在被X-射線激光照射的前25飛秒內，水並未出現結構變化。照射75飛秒時，結構變化已非常顯著。論文合著者、烏普薩拉大學的Nicusor Timneanu（參與理論模型開發的關鍵科學家之一）解釋說：“這項研究讓我們更好的瞭解了對不同樣品所需做的工作。觀測結果對於利用X-射線激光對單個分子或其他微粒的成像技術的發展同樣具有重要作用。”
來源：https://phys.org/news/2018-05-world-fastest-heater100000-degrees-10th.html
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