Os cientistas usaram um poderoso laser de raios-X para aquecer a água da temperatura ambiente até 100, 000 graus Celsius em menos de um décimo de picossegundo (milionésimo de milionésimo de segundo). A configuração experimental, que pode ser visto como o aquecedor de água mais rápido do mundo, produziu um estado de água exótico, do qual os pesquisadores esperam aprender mais sobre as características peculiares da água. As observações também têm uso prático para sondar amostras biológicas e muitas outras amostras com lasers de raios-X. A equipe de Carl Caleman do Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) do DESY e da Uppsala University (Suécia) relata suas descobertas no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS )
Os pesquisadores usaram o laser de elétrons livres de raios-X Linac Coherent Light Source LCLS no SLAC National Accelerator Laboratory nos EUA para disparar flashes extremamente intensos e ultracurtos de raios-X em um jato de água. "Não é a maneira usual de ferver a água, "disse Caleman." Normalmente, quando você aquece água, as moléculas serão apenas agitadas cada vez mais forte. "No nível molecular, calor é movimento - quanto mais quente, quanto mais rápido o movimento das moléculas. Isso pode ser alcançado, por exemplo, via transferência de calor de um fogão, ou mais diretamente com micro-ondas que fazem as moléculas de água oscilarem para frente e para trás cada vez mais rápido em sintonia com o campo eletromagnético.
"Nosso aquecimento é fundamentalmente diferente, "explicou Caleman." Os enérgicos raios-X arrancam elétrons das moléculas de água, destruindo assim o equilíbrio das cargas elétricas. Então, de repente, os átomos sentem uma forte força repulsiva e começam a se mover violentamente. "Em menos de 75 femtossegundos, isso é 75 milionésimos de bilionésimo de segundo ou 0,000 000 000 000 000 075 segundos, a água passa por uma transição de fase do líquido para o plasma. Um plasma é um estado da matéria onde os elétrons foram removidos dos átomos, levando a uma espécie de gás eletricamente carregado.
"Mas enquanto a água se transforma de líquido em plasma, ainda permanece com a densidade da água líquida, como os átomos ainda não tiveram tempo de se mover significativamente, "disse o co-autor Olof Jönsson da Universidade de Uppsala. Este estado exótico da matéria não é nada que possa ser encontrado naturalmente na Terra." Ele tem características semelhantes a alguns plasmas no Sol e o gigante gasoso Júpiter, mas tem uma densidade menor. Enquanto isso, é mais quente do que o núcleo da Terra. "
Os cientistas usaram suas medições para validar simulações do processo. Juntos, as medições e simulações permitem estudar este exótico estado da água para aprender mais sobre as propriedades gerais da água. "A água é realmente um líquido estranho, e se não fosse por suas características peculiares, muitas coisas na Terra não seriam como são, particularmente a vida, "Jönsson enfatizou. A água exibe muitas anomalias, incluindo sua densidade, capacidade de calor e condutividade térmica. São essas anomalias que serão investigadas no futuro Center for Water Science (CWS) planejado no DESY, e os resultados obtidos são de grande importância para as atividades ali.
Além de seu significado fundamental, o estudo também tem significado prático imediato. Os lasers de raios X são freqüentemente usados para investigar a estrutura atômica de amostras minúsculas. "É importante para qualquer experimento envolvendo líquidos em lasers de raios-X, "disse o co-autor Kenneth Beyerlein do CFEL." Na verdade, qualquer amostra que você colocar no feixe de raios-X será destruída da maneira que observamos. Se você analisar qualquer coisa que não seja um cristal, você tem que considerar isso. "
As medições quase não mostram mudanças estruturais na água até 25 femtossegundos depois que o pulso de raios-X começa a atingi-la. Mas em 75 femtossegundos, as mudanças já são evidentes. "O estudo nos dá uma melhor compreensão do que fazemos com diferentes amostras, "explicou o co-autor Nicusor Timneanu da Universidade de Uppsala, um dos principais cientistas no desenvolvimento do modelo teórico utilizado. "Suas observações também são importantes para o desenvolvimento de técnicas de imagem de moléculas únicas ou outras partículas minúsculas com lasers de raios-X."
