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Montag, 20.08.2018
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Der schnellste Wasserkocher der Welt

Röntgenlaser erzeugt durch ultraschnelles Erhitzen einen exotischen Wasserzustand

In 75 Femtosekunden auf 100.000 Grad: Mit einem starken Röntgenlaser haben Forscher Wasser so schnell und stark aufgeheizt, dass die Flüssigkeit in einen exotischen Aggregatzustand überging. Es entstand ein Plasma, das heißer ist als der Erdkern. Dennoch behielt es die relativ geringe Dichte des flüssigen Wassers bei. Dieser exotische Zustand kommt auf der Erde von Natur aus nicht vor, wie die Physiker berichten. Er liefert aber wertvolle Einblicke in die ungewöhnliche Natur des Wassers.
Mit einem Röntgenlaser-Puls haben Forscher Wasser extrem schnell aufgeheizt - und so einen exotischen Materiezustand erzeugt.

Mit einem Röntgenlaser-Puls haben Forscher Wasser extrem schnell aufgeheizt - und so einen exotischen Materiezustand erzeugt.

So allgegenwärtig und "normal" uns Wasser erscheint, so ungewöhnlich ist das Nass in chemisch-physikalischer Hinsicht. Wasser bildet beispielsweise beim Gefrieren rund ein Dutzend verschiedener Eisformen und kann andererseits selbst bei minus 40 Grad flüssig bleiben. Noch exotischer ist seine Dichteanomalie und die Tatsache, dass Wasser eigentlich aus zwei Flüssigkeiten besteht.

"Wasser ist wirklich eine merkwürdige Flüssigkeit, und ohne ihre besonderen Eigenschaften wären viele Dinge auf der Erde nicht so, wie sie sind – insbesondere das Leben", sagt Olof Jönsson von der Universität Uppsala.

Röntgenlaser als "Wasserkocher"


Einen weiteren exotischen Zustand des Wassers haben Jönsson und seine Kollegen nun mit dem "schnellsten Wasserkocher der Welt" erzeugt – dem Freie-Elektronen-Laser LCLS am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Dessen ultrastarke Röntgenpulsen können Wasser extrem schnell erhitzen: Die Forscher brachten ihre Wasserprobe in nur 75 Femtosekunden von Zimmertemperatur auf 100.000 Grad Celsius.


"Normalerweise rüttelt man quasi immer stärker und stärker an den Wassermolekülen, wenn man Wasser erhitzt", erklärt Seniorautor Carl Caleman vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg. Denn je heißer ein Stoff wird, desto stärker bewegen sich seine Moleküle. "Unsere Heizung ist ganz anders: Der energiereiche Röntgenblitz schlägt die Elektronen aus den Wassermolekülen hinaus und zerstört so die Balance der elektrischen Ladung", erklärt Calemann. "Die Atome spüren plötzlich eine starke abstoßende Kraft und beginnen, sich heftig zu bewegen."

Nach knapp 70 billardstel Sekunden (Femtosekunden) haben sich die Wassermoleküle bereits weitgehend in Wasserstoff (weiß) und Sauerstoff (rot) getrennt.

Nach knapp 70 billardstel Sekunden (Femtosekunden) haben sich die Wassermoleküle bereits weitgehend in Wasserstoff (weiß) und Sauerstoff (rot) getrennt.

Exotisches Plasma


Die Folge: Das Wasser durchläuft blitzschnell eine Phasenumwandlung - es wird von einer Flüssigkeit zum Plasma. Die Beobachtungen ergaben, dass dabei in den ersten 25 Femtosekunden noch kaum strukturelle Veränderungen auftreten. Dann jedoch wandelt sich die Probe fast schlagartig: Nach 75 Femtosekunden haben sich die Elektronen von den Atomen gelöst, so dass ein 100.000 Grad heißes, elektrisch geladenes Gas entsteht.

Das Ungewöhnliche daran: "Während aus dem flüssigen Wasser ein Plasma entsteht, behält es die Dichte des flüssigen Wassers bei, da die Atome noch keine Zeit hatten, sich nennenswert zu bewegen", erläutert Jönsson. Dieser exotische Zustand kommt auf der Erde nirgends natürlicherweise vor. "Er hat ähnliche Eigenschaften wie einige Plasmen in der Sonne und im Gasriesen Jupiter, hat aber eine geringere Dichte. Dabei ist er heißer als der Erdkern."


Bedeutung auch für andere Röntgenlaser-Experimente


Die aktuellen Messungen und begleitende Simulationen erlauben es den Forschern, diesen exotischen Zustand näher zu untersuchen. Das hilft dabei, diese, aber auch allgemeine Eigenheiten des Wassers besser zu verstehen. Doch die Bedeutung des Experiments geht darüber hinaus, wie die Forscher betonen: "Sie sind für jedes Röntgenlaserexperiment mit Flüssigkeiten wichtig", sagt Ko-Autor Kenneth Beyerlein vom DESY.

"Tatsächlich wird jede Probe, die man in den Röntgenstrahl hält, auf die von uns beobachtete Art und Weise zerstört. Das muss bei der Untersuchung von allen nicht-kristallinen Proben bedacht werden." Die Beobachtungen sind daher auch wichtig für die Entwicklung von Techniken zur Untersuchung einzelner Moleküle oder anderer winziger Partikel mit Röntgenlasern. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; doi: 10.1073/pnas.1711220115)
(Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY , 15.05.2018 - NPO)
 
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