ساخت سریع‌ترین آبگرم‌کن جهان!
مجله علمی ایلیاد - گرم کردن قهوه‌ی صبحانه‌ی خود در مایکروفر را فراموش کنید؛ پالس لیزری ساخته شده از اشعه‌ی ایکس، به‌خاطر گرم کردن چند میکرولیتر آب، تا دمای ۱۰۰،۰۰۰ درجه‌ی سلسیوس در ۷۵ میلیونیم یک‌میلیاردم ثانیه رکوردی بر جای گذاشت. ما نوشیدن پلاسما را، حداقل قبل از اینکه آن‌را فوت کنید، توصیه نمی‌کنیم! اما این محصول با کمک به بهبود اجرای این تحقیقات حساس که به لیزرهای اشعه‌ی ایکس متکی هستند، می‌تواند به ما در درک بهتر خواص غیرمعمول آب کمک کند.
پرتوهای متمرکز و پرقدرت ایکس به‌خاطر طول موج‌های کوتاه خود، ابزار مناسبی برای مطالعه‌ی ساختار اتمی مولکول‌ها و دیگر نانو موادها هستند. متاسفانه این تحقیقات مانند شمشیر دو لبه عمل می‌کنند، چرا که این موج‌های کوتاه، تعداد زیادی منفذ ایجاد می‌کنند، بنابراین اگر نگاهی دقیق به ساختارهای درون سلول‌های زنده بیاندازیم، نباید انتظار داشت بعد از عکس‌برداری با اشعه‌ی ایکس، چیز زیادی از آن سلول باقی بماند.
گروهی بین‌المللی از محققان در آزمایشگاه شتاب‌دهنده‌ی ملی ایالات متحده «SLAC»، برای درک بهتر ساز و کار پشت این آزمایش، پرتوی ایکسی به نام منبع منسجم نور یا «Linac» را به جریانی پُرفشار و باریک آب تاباندند. نیازی به گفتن نیست که این جریان باریک آب نسبتاً سریع گرم شد.
«کارل کِلمن» فیزیکدان دانشگاه اوپسالا در سوئد، می‌گوید: «این روشی رایج برای جوشاندن آب نیست. معمولاً وقتی شما آب را گرم می‌کنید، مولکول‌های آن با نیروی بیشتر و بیشتری شروع به ارتعاش می‌کنند. در عوض، پرتوی ایکس به الکترون‌های مجاور مولکول‌های آب ضربه زده و تعادل آن‌ها را به هم میریزد. بنابراین، اتم‌ها یک نیروی دافعه‌ی قوی و ناگهانی را متحمل شده و با شدت شروع به حرکت می‌کنند.»
این حرکت شدید، برابر با دمای ۱۰۰،۰۰۰ درجه‌ی سلسیوس است که از هسته‌ی زمین هم داغ‌تر است. دیگر اینکه، این تغییر دما کمتر از ۷۵ کوادریلیوم ثانیه به طول می‌انجامد که زمان زیادی برای گریز به مولکول‌های آب نمی‌دهد.
این شوک ناگهانی، فازی غیرعادی از آب را ایجاد می‌کند، فازی که هنوز به حالت مایع است. «اولف جانسن» از دانشگاه اوپسالا، می‌گوید: «فاز تشکیل شده، دارای خصوصیاتی مشابه به برخی پلاسماهای خورشیدی و غول گازی مشتری است، اما با غلظت کمتر. در ضمن این ماده از هسته‌ی سیاره‌ی زمین داغ‌تر است.»
مادامی که همه ما علاقمند هستیم لیزرهایی با انرژی بالا را به چیزهای مختلف تابانده تا ببینیم چه اتفاقی می‌افتد، گروه تحقیقاتی محاسباتی را انجام داده و نسبتاً ایده‌هایی برای آنچه انتظار می‌رود را فراهم کرده است. این آزمایش به آن‌ها کمک کرد تا فرضیه‌ها و محاسباتشان در مورد خواص عجیب مولکول‌های آب را بررسی کنند.
البته این آزمایش برای استفاده از اشعه‌ی ایکس در تحقیقاتی که مواد در آب مخلوط هستند، دستاوردهای مهم دیگری نیز به همراه داشت؛ مثل آنچه در سلول‌های زنده یافت شد. در ۲۵ کوادریلیوم ثانیه‌ی اول بعد از برخورد اشعه‌ی ایکس با مولکول‌های آب، اتفاقات زیادی رخ نمی‌دهد. تنها در ۷۵ کوادریلیوم ثانیه‌ی اول است که همه‌ی مولکول‌های آب شکافته می‌شوند. مولکول‌های یونیزه شده‌ی آب تغییرات چشم‌گیری در محیط شیمیایی اطرافشان ایجاد کرده که در این خلال موجب تخریب کامل مواد می‌شوند.
«نیکوسور تیمنینو» از دانشگاه اوپسالا، می‌گوید: «این تحقیقات به ما کمک می‌کند نسبت به آنچه با نمونه‌های مختلف انجام می‌دهیم، درک بهتری پیدا کنیم. همچنین دانستن زمان‌بندی و طبیعت این تغییر حالت، می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا روش‌های ثبت و ضبط جزئیات دقیق‌تر و بیشتر از ساختار اتمی مواد زیست‌شیمیایی مختلف را بهبود بخشند. به‌علاوه به‌خاطر کاربرد جالب لیزر پرتوهای ایکس به خود ببالیم.»
این تحقیقات در مجله‌ی PNAS منتشر شده است.
نوشته: مایک مک‌را
ترجمه: سیندخت سرلک - مجله علمی ایلیاد
ترجمه: سیندخت سرلک - مجله علمی ایلیاد