Dimentica di scaldare il tuo caffè mattutino nel microonde; un impulso laser fatto di raggi X ha stabilito un record per il riscaldamento di pochi microlitri di acqua a 100.000 gradi Celsius in 75 milionesimi di miliardesimo di secondo. Non raccomanderemmo di bere il plasma, almeno non senza soffiarlo prima. Ma il prodotto potrebbe aiutarci a capire meglio le proprietà insolite dell’acqua, migliorando allo stesso tempo il modo in cui effettuiamo indagini delicate basate su potenti laser a raggi X. Grazie alle loro minuscole lunghezze d’onda, i raggi X intensamente concentrati sono un ottimo strumento per studiare le strutture atomiche di molecole e altri oggetti su scala nanometrica.
Sfortunatamente è un’arma a doppio taglio: quelle onde corte danno un sacco di forza, quindi se vuoi guardare da vicino le strutture all’interno delle cellule viventi, non dovresti aspettarti molto da lasciare dopo aver scattato un’istantanea. Per comprendere meglio la fisica alla base di questa distruzione, un team internazionale di ricercatori ha colpito un piccolo getto d’acqua con un flash da un laser a raggi X chiamato Linac Coherent Light Source presso lo SLAC National Accelerator Laboratory negli Stati Uniti. Inutile dire che il sottile flusso d’acqua si è surriscaldato abbastanza rapidamente. “Non è il solito modo di far bollire la tua acqua“, dice il fisico Carl Caleman dell’Università di Uppsala in Svezia. “Normalmente, quando riscaldi l’acqua, le molecole saranno semplicemente scosse più forte e più forte.”
Invece, il lampo dei raggi X colpì gli elettroni direttamente dalle molecole d’acqua, mettendoli fuori equilibrio. “Così, improvvisamente gli atomi sentono una forte forza repulsiva e iniziano a muoversi violentemente“, dice Caleman . Quel violento tremito – per tutti gli scopi che chiamiamo “calore” – è pari a 100.000 gradi Celsius, molto più caldo del nucleo della Terra. Inoltre, per raggiungere questo obiettivo ci vogliono meno di 75 femtosecondi, il che non dà alle molecole che compongono il rivolo di acqua molto tempo per scappare.
Questo improvviso shock crea una fase insolita dell’acqua, una che è ancora un liquido ma ha le proprietà di una zuppa gassosa di particelle cariche. “Ha caratteristiche simili a quelle di alcuni plasmi del Sole e del gigante gassoso Giove, ma ha una densità inferiore“, afferma il fisico Olof Jönsson dell’Università di Uppsala. “Nel frattempo, è più caldo del nucleo della Terra.”
Mentre amiamo tutti sparare con i laser ad alta energia alle cose solo per vedere cosa succede, il team aveva già eseguito i calcoli quindi aveva una buona idea di cosa aspettarsi. L’esperimento ha aiutato a verificare le loro somme e le ipotesi sulle strane proprietà molecolari dell’acqua. Questa ricerca ha anche alcune importanti implicazioni per l’utilizzo dei raggi X nella ricerca di materiali miscelati in acqua, come quelli che si trovano all’interno delle cellule viventi. Per i primi 25 femtosecondi dopo essere stato colpito con i raggi X, non succede molto. È solo al 75 ° secondo di femtosecondo che tutto l’inferno si scatena e le molecole d’acqua ionizzata causano cambiamenti significativi alla chimica circostante, distruggendo efficacemente il materiale nel processo.
“Lo studio ci dà una migliore comprensione di ciò che facciamo a diversi campioni”, dice il fisico Nicusor Timneanu dell’Università di Uppsala. Conoscere i tempi e la natura del cambiamento di stato potrebbe anche aiutare gli scienziati a migliorare i metodi che catturano dettagli più accurati delle strutture atomiche di varie sostanze biochimiche. Inoltre, si vantano per il loro uso fresco di un laser a raggi X. Questa ricerca è stata pubblicata su PNAS .
