Agua líquida a 170 grados centígrados
El láser de rayos X revela una dinámica anómala en el calentamiento ultrarrápido
Usando el láser de rayos X XFEL europeo, un equipo de investigación ha investigado cómo se calienta el agua en condiciones extremas. En el proceso, los científicos fueron capaces de observar el agua que permanecía líquida incluso a temperaturas de más de 170 grados centígrados. La investigación reveló un comportamiento dinámico anómalo del agua bajo estas condiciones. Los resultados del estudio, que se publican en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), son de fundamental importancia para la planificación y el análisis de las investigaciones de muestras sensibles mediante el uso de láseres de rayos X.
Los flashes de rayos X del XFEL europeo (violeta) no sólo calientan el agua (moléculas rojas y blancas), sino que también producen un patrón de difracción de la muestra (fondo) a partir del cual se puede determinar el estado del agua después de cada flash. Esto da una detallada historia temporal del proceso.
DESY, Britta Liebaug
El European XFEL, una instalación de investigación internacional, que se extiende desde el sitio de DESY en Hamburgo hasta la vecina ciudad de Schenefeld en Schleswig-Holstein, es el hogar del láser de rayos X más poderoso del mundo. Puede generar hasta 27.000 intensos destellos de rayos X por segundo. Para sus experimentos, los investigadores utilizaron series de 120 destellos cada una. Los flashes individuales estaban separados por menos de una millonésima de segundo (exactamente 0,886 microsegundos). Los científicos enviaron estos trenes de pulsos a un tubo de cristal de cuarzo delgado y lleno de agua y observaron la reacción del agua.
"Nos preguntamos cuánto tiempo y cuán fuerte puede calentarse el agua en el láser de rayos X y si todavía se comporta como el agua", explica el autor principal Felix Lehmkühler de DESY. "Por ejemplo, ¿todavía funciona como refrigerante a altas temperaturas?" Una comprensión detallada del agua sobrecalentada es también esencial para un gran número de investigaciones en muestras sensibles al calor, como polímeros o muestras biológicas.
"Con los flashes de rayos X, fuimos capaces de calentar el agua hasta 172 grados centígrados en una diez milésima de segundo sin que se evaporara", informa Lehmkühler. Tal retraso en la ebullición sólo puede observarse normalmente hasta unos 110 grados centígrados. "Pero esa no es la única característica anómala", enfatiza el físico. Los científicos investigaron el movimiento de las nanoesferas de silicio que flotan en el agua como marcadores de la dinámica de la muestra. "En el agua extremadamente sobrecalentada, observamos que el movimiento de las nanoesferas de dióxido de silicio se desviaba significativamente del esperado movimiento molecular Browniano aleatorio. Esto indica un calentamiento desigual de la muestra", dice Lehmkühler. Los modelos teóricos existentes todavía no pueden explicar satisfactoriamente este comportamiento porque no están diseñados para el agua en estas condiciones extremas.
Gracias a la rápida secuencia de destellos del XFEL europeo, los investigadores pudieron observar el proceso en extremo detalle. "Lo que hace único al XFEL europeo es la alta tasa de repetición, es decir, el alto número de pulsos por segundo", explica el coautor Adrian Mancuso, jefe del instrumento SPB/SFX del XFEL europeo donde se realizaron los experimentos. "Y tenemos toda la instrumentación en su lugar - como cámaras rápidas, diagnósticos y más - para hacer posible estos experimentos". Por ejemplo, el Detector de Píxeles Integrador de Ganancia Adaptativa (AGIPD) desarrollado por un consorcio liderado por DESY puede tomar alrededor de 350 imágenes seriales a intervalos de sólo 220 mil millonésimas de segundo (nanosegundos).
Esta configuración no sólo permitió generar el agua sobrecalentada, sino que también permitió a los científicos llevar a cabo una serie de experimentos controlados con precisión con destellos de rayos X de intensidad reducida. "Usando filtros de silicio, afinamos la energía de los pulsos para poder controlar exactamente cuánto se calienta el agua", informa Lehmkühler. "Por ejemplo, pudimos determinar cuán fuertes debían ser los destellos de rayos X para que la temperatura de una muestra acuosa se mantuviera más o menos constante".
Esto permite a los investigadores planificar mejor los experimentos con muestras sensibles al calor en el láser de rayos X, por ejemplo. Por otra parte, el efecto de calentamiento también puede utilizarse de manera selectiva si se conoce su curso exacto. El equipo planea investigar más a fondo estos efectos también en el marco del Centro de Ciencias Moleculares del Agua (CMWS), que se está creando actualmente en el DESY.
"Nuestros resultados no sólo proporcionan la sorprendente observación de una dinámica anómala, sino que también dibujan una imagen detallada de cómo las muestras acuosas se calientan en el láser de rayos X", resume el investigador principal Gerhard Grübel de DESY, uno de los coordinadores del CMWS. "Además, las investigaciones prueban que tales imágenes seriales son posibles en el XFEL europeo y que sus destellos son extremadamente uniformes en cada tren de pulsos".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Felix Lehmkühler, Francesco Dallari, Avni Jain, Marcin Sikorski, Johannes Möller, Lara Frenzel, Irina Lokteva, Grant Mills, Michael Walther, Harald Sinn, Florian Schulz, Michael Dartsch, Verena Markmann, Richard Bean, Yoonhee Kim, Patrik Vagovic, Anders Madsen, Adrian P. Mancuso, and Gerhard Grübel; "Emergence of anomalous dynamics in soft matter probed at the European XFEL"; Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS); 2020
Más noticias del departamento ciencias
Reciba la química en su bandeja de entrada
No se pierda nada a partir de ahora: Nuestro boletín electrónico de química, análisis, laboratorio y tecnología de procesos le pone al día todos los martes y jueves. Las últimas noticias del sector, los productos más destacados y las innovaciones, de forma compacta y fácil de entender en su bandeja de entrada. Investigado por nosotros para que usted no tenga que hacerlo.
