Usando o laser de raios-X europeu XFEL, uma equipe de pesquisa investigou como a água esquenta sob condições extremas. No processo, os cientistas foram capazes de observar a água que permaneceu líquida mesmo em temperaturas de mais de 170 graus Celsius. A investigação revelou um comportamento dinâmico anômalo da água nessas condições. Os resultados do estudo, que são publicados no Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), são de fundamental importância para o planejamento e análise de investigações de amostras sensíveis utilizando lasers de raios-X.

XFEL europeu, um centro de pesquisa internacional, que se estende do site DESY em Hamburgo até a cidade vizinha de Schenefeld em Schleswig-Holstein, abriga o laser de raios-X mais poderoso do mundo. Ele pode gerar até 27.000 flashes intensos de raios-X por segundo. Para seus experimentos, os pesquisadores usaram séries de 120 flashes cada. Os flashes individuais estavam separados por menos de um milionésimo de segundo (exatamente 0,886 microssegundos). Os cientistas enviaram esses trens de pulso em um fino, tubo de vidro de quartzo cheio de água e observou a reação da água.

"Nós nos perguntamos por quanto tempo e com que intensidade a água pode ser aquecida no laser de raios-X e se ela ainda se comporta como água, "explica o autor principal Felix Lehmkühler de DESY." Por exemplo, ainda funciona como um refrigerante em altas temperaturas? "Uma compreensão detalhada da água superaquecida também é essencial para um grande número de investigações em amostras sensíveis ao calor, como polímeros ou amostras biológicas.

"Com os flashes de raio-X, fomos capazes de aquecer a água até 172 graus Celsius em um décimo milésimo de segundo sem evaporar, "relata Lehmkühler. Esse atraso de ebulição normalmente só pode ser observado até cerca de 110 graus Celsius." Mas essa não é a única característica anômala, "enfatiza o físico. Os cientistas investigaram o movimento das nanoesferas de silício flutuando na água como marcadores da dinâmica da amostra." Na água extremamente superaquecida, observamos que o movimento das nanoesferas de dióxido de silício desviou significativamente do movimento molecular browniano aleatório esperado. Isso indica um aquecimento desigual da amostra, "diz Lehmkühler. Os modelos teóricos existentes ainda não podem explicar satisfatoriamente esse comportamento porque eles não foram projetados para a água nessas condições extremas.

Graças à rápida sequência de flashes do XFEL europeu, os pesquisadores foram capazes de observar o processo em detalhes extremos. "O que torna o XFEL europeu único é a alta taxa de repetição, isso é, o alto número de pulsos por segundo ", explica o co-autor Adrian Mancuso, chefe do instrumento SPB / SFX no XFEL europeu onde os experimentos ocorreram. "E temos toda a instrumentação pronta, como câmeras rápidas, diagnósticos e muito mais - para tornar esses experimentos possíveis ". Por exemplo, o Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD) desenvolvido por um consórcio liderado pelo DESY pode capturar cerca de 350 imagens seriais em intervalos de apenas 220 bilionésimos de segundo (nanossegundos).

Esta configuração não só permitiu que a água superaquecida fosse gerada, mas também permitiu aos cientistas realizar séries de experimentos precisamente controlados com flashes de raios-X de intensidade reduzida. "Usando filtros de silício, ajustamos a energia dos pulsos para que pudéssemos controlar exatamente o quanto a água foi aquecida, "relata Lehmkühler." Por exemplo, fomos capazes de determinar a força dos flashes de raios-X para que a temperatura de uma amostra aquosa permanecesse mais ou menos constante ".

Isso permite que os pesquisadores planejem melhor experimentos com amostras sensíveis ao calor no laser de raios-X, por exemplo. Por outro lado, o efeito de aquecimento também pode ser usado de maneira direcionada se seu curso exato for conhecido. A equipe planeja investigar mais a fundo esses efeitos também no âmbito do Center for Molecular Water Science (CMWS), que está sendo configurado atualmente em DESY.

"Nossos resultados não fornecem apenas a observação surpreendente de uma dinâmica anômala, mas também traçar uma imagem detalhada de como as amostras aquosas aquecem no laser de raios-X, "resume o pesquisador principal Gerhard Grübel do DESY, um dos coordenadores do CMWS. "Além disso, as investigações provam que tais imagens seriais são possíveis no XFEL europeu e que seus flashes são extremamente uniformes em cada trem de pulso ".