一個研究小組使用X射線激光歐洲XFEL研究了極端條件下水是如何加熱的。在此過程中，科學家們甚至可以觀察到即使在170攝氏度以上的溫度下仍為液態(tài)的水。調(diào)查顯示在這些條件下水的動態(tài)行為異常。這項研究的結(jié)果發(fā)表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上，對于計劃和分析使用X射線激光進行的敏感樣品的研究具有至關(guān)重要的意義。

歐洲XFEL是一個國際研究機構(gòu)，其范圍從漢堡的DESY站點延伸至石勒蘇益格-荷爾斯泰因州相鄰的Schenefeld鎮(zhèn)，是世界上功能最強大的X射線激光的所在地。每秒可產(chǎn)生多達27 000次強烈的X射線閃光。對于他們的實驗，研究人員分別使用了120次閃爍。單獨的閃爍間隔不到百萬分之一秒(精確到0.886微秒)?？茖W家將這些脈沖序列發(fā)送到一個充滿水的石英玻璃細管中，觀察水的反應。

“我們問自己，X射線激光器中的水可以加熱多長時間和強度，以及水是否仍然像水一樣，” DESY的主要作者FelixLehmkühler解釋說。“例如，它在高溫下是否仍可用作冷卻劑?” 對于大量對熱敏感樣品(例如聚合物或生物樣品)的研究，對過熱水的詳細了解也是必不可少的。

Lehmkühler說：“借助X射線閃光，我們能夠在十分之一秒的時間內(nèi)將水加熱到172攝氏度而不會蒸發(fā)。” 通常只能在高達約110攝氏度的溫度下觀察到這種沸騰延遲。這位物理學家強調(diào)說：“但這不是唯一的異常特征。” 科學家研究了漂浮在水中的硅納米球的運動，以此作為樣品動力學的標志。Lehmkühler說：“在極度過熱的水中，我們觀察到二氧化硅納米球的運動明顯偏離了預期的隨機布朗分子運動。這表明樣品的加熱不均勻。”

由于采用了歐洲XFEL 的快速閃光序列，研究人員能夠極其詳細地觀察該過程。“使歐洲XFEL獨樹一幟的是高重復率，即每秒高的脈沖數(shù)”，實驗發(fā)生的歐洲XFEL SPB / SFX儀器負責人阿德里安·曼庫索(Adrian Mancuso)解釋說。“而且我們擁有所有儀器，例如快速攝像頭，診斷程序等等，以使這些實驗成為可能”。例如，由DESY領(lǐng)導的財團開發(fā)的自適應增益積分像素檢測器(AGIPD)可以以大約220億分之一秒(納秒)的間隔拍攝約350個串行圖像。

這種設(shè)置不僅可以產(chǎn)生過熱的水，而且還使科學家能夠使用強度降低的X射線閃光燈進行精確控制的一系列實驗。“使用硅過濾器，我們微調(diào)了脈沖的能量，使我們能夠控制到底有多少水進行加熱處理，”報告Lehmkühler。“例如，我們能夠確定X射線閃光的強度，以使水性樣品的溫度或多或少保持恒定”。

例如，這使研究人員可以更好地計劃使用X射線激光對熱敏感樣品進行的實驗。另一方面，如果已知確切的加熱過程，也可以有針對性地使用加熱效果。該小組還計劃在分子水科學中心(CMWS)的框架內(nèi)進一步研究這些影響，該中心目前正在DESY建立。

“我們的結(jié)果不僅提供了異常動態(tài)的令人驚訝的觀察結(jié)果，而且還繪制了含水樣品在X射線激光中如何加熱的詳細圖片，”來自CMWS協(xié)調(diào)員之一的DESY的首席研究員GerhardGrübel總結(jié)道。“此外，研究證明，在歐洲XFEL上可以得到這樣的串行圖像，并且在每個脈沖序列中其閃光都非常均勻”。