▲强X-射线脉冲作用下，对前70飞秒内水分子和原子的运动情况的模拟。用实验数据验证动力学的理论模型。
科学家利用一种强力的X-射线激光，仅用时约0.1皮秒（1皮秒等于一万亿分之一秒），即可将水从室温升温至10万摄氏度。这种加热装置，可谓世界上最快的热水器了。它可以使水进入一种特殊状态，研究人员希望借此了解更多关于水的奇妙特性。相关研究结果对于生物探测和其他涉及X-射线激光的领域也有实际用途。近日，德国电子同步加速器研究所（DESY）的自由电子激光科学中心（CFEL）的Carl Caleman研究团队与瑞典乌普萨拉大学在《美国国家科学院院刊》发布了这一成果。
研究人员利用斯坦福直线加速器中心（SLAC）国家加速器实验室的X-射线自由电子激光直线加速器相干光源（LCLS）产生的超强、超短波X-射线对一股水流进行了照射。Caleman说：“这并非通常的加热水的方式。一般情况下，水被加热后，水分子的振动会越发剧烈。”在分子水平上，温度越高，分子运动越快。这是可以实现的，例如使用火炉加热或者微波作用。“我们的加热方式就完全不同了，”Caleman解释说，“高能X-射线将电子从水分子中击出，从而破坏了电荷平衡。因此，原子在突然间产生了强大的排斥力，并开始剧烈运动。”在不足75飞秒（1皮秒等于1000飞秒）的时间内，水经历了从液体到等离子体（一种物质状态，电子被从原子中移除，形成带电气体）的相变。
论文合著者、乌普萨拉大学的Olof Jönsson说：“但是，当水从液体变为等离子体时，由于原子没有足够的时间移动，它仍然会保持液体水的密度。”这种奇异的物质状态并不在地球上天然存在。它与太阳和气体巨星（木星）上的等离子体具有相似特性，但密度更低。此外，它的温度比地核高。
科学家利用实验验证了对该过程的模拟。结合实验和模拟结果，可以对水的奇特状态进行研究。Jönsson强调说，水确实是一种奇特的物质。如果不是因为水的特殊性质，可能地球将不是现在的模样。水在密度、热容和热导率等方面均体现出奇异性，DESY的水科学中心（CWS）将对这一系列异象展开研究，其结果将对水研究产生重要作用。
X-射线加热水的研究也具有直接的现实意义。论文合著者、CFEL的Kenneth Beyerlein说：“这对于涉及液体的X-射线实验很重要。事实上，任何用X-射线观测的样品都会被其摧毁。如果观测对象不是晶体，那你就必须对此加以考虑。”实验发现，在被X-射线激光照射的前25飞秒内，水并未出现结构变化。照射75飞秒时，结构变化已非常显著。论文合著者、乌普萨拉大学的Nicusor Timneanu（参与理论模型开发的关键科学家之一）解释说：“这项研究让我们更好的了解了对不同样品所需做的工作。观测结果对于利用X-射线激光对单个分子或其他微粒的成像技术的发展同样具有重要作用。”
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编译：雷鑫宇 编辑：张梦
来源：https://phys.org/news/2018-05-world-fastest-heater100000-degrees-10th.html
