Il “bollitore” più veloce del mondo

acqua laser
(Credit: Carl Caleman, DESY/Uppsala University)

Acqua più calda del centro della Terra, in meno di un decimo di un picosecondo, un milionesimo di milionesimo di secondo. Tutto merito del laser a elettroni liberi ad emissione di raggi X LCLS (Linac Coherent Light Source) degli SLAC National Accelerator Laboratory della Stanford University, racconta oggi uno studio su Pnas. Questo sofisticatissimo laser a raggi X (ce ne sono solo cinque in tutto il mondo di cui uno in Italia) è stato sviluppato per indagare la struttura della materia in condizioni estreme e consente di scattare delle istantanee di atomi e molecole al lavoro.

Ma, mentre scattavano queste foto, gli scienziati si sono accorti che l’acqua utilizzata per trasportare il materiale da analizzare, sottoposta al fascio di raggi X, subiva una velocissima trasformazione dallo stato liquido a plasma, arrivando a 100.0000 °C in meno in meno di 75 femtosecondi, cioè 75 milionesimi di un miliardesimo di secondo o 0.000 000 000 000 075 secondi. “Non è il solito modo in cui si bolle l’acqua”, ha commentato Carl Caleman, uno degli autori che lavora al Desy di Amburgo, un centro di ricerca di fisica tedesco: “il nostro modo di scaldarla è fondamentalmente diverso, il raggio X spinge gli elettroni fuori dalle molecole di acqua annullando l’equilibrio delle cariche elettriche, così, improvvisamente, gli atomi sentono una potente forza repulsiva e iniziano a muoversi violentemente”. I dati sperimentali sono stati utilizzati per validare il modello teorico della dinamica. I video (disponibili sul sito del Desy) mostrano alcune simulazioni del movimento delle molecole e degli atomi di acqua nei primi 70 femtosecondi di irradiazione quando questo tipo di estrema ionizzazione porta alla rottura dei legami molecolari fino allo stato di plasma.

Lo studio ha risvolti pratici perché “è importante per ogni esperimento che coinvolga l’acqua nell’utilizzo di laser a raggi X,” ha aggiunto il co-autore Kenneth Beyerlein del Desy, “infatti, ogni campione che viene messo nel fascio di raggi X sarà distrutto nel modo che abbiamo osservato. Se si analizza qualsiasi cosa che non sia cristallo, ciò va considerato”. In questi esperimenti in cui si studia la struttura della materia tramite il raggio laser ad elettroni liberi (XFEL), l’acqua è utilizzata per trasportare il materiale da analizzare nella zona di interazione. L’acqua inoltre è presente nei campioni biologici stessi ed è un buon modello per studiare il danno da radiazione nei materiali biologici. Queste nuove acquisizioni contribuiranno ad aumentare le conoscenze sulle proprietà dell’acqua. Una sostanza ben nota ma al tempo stesso misteriosa: “L’acqua è un liquido molto strano e, se non fosse per le sue peculiari caratteristiche, molte cose sulla terra non sarebbero come sono, in particolare la vita”, ha concluso Olof Jönsson della Uppsala University, tra gli autori del paper.

Riferimenti: Pnas

Credit immagine: Carl Caleman, DESY/Uppsala University

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