Der schnellste Wasserkocher der Welt

Per Röntgenlaser haben Forscher Wasser in 75 Femto­sekunden von Zimmer­tempe­ratur auf 100.000 Grad Celsius auf­ge­heizt. Der Experi­ment­aufbau, der als schnell­ster Wasser­kocher der Welt gelten kann, erzeugte einen exo­tischen Zustand des Wassers, von dem sich die Wissen­schaftler neue Ein­blicke in die beson­deren Eigen­schaften dieser Flüssig­keit erhoffen. Die Beob­ach­tungen haben auch prak­tische Bedeu­tung für die Unter­suchung biolo­gischer und zahl­reicher anderer Proben mit Röntgen­lasern.

Die Forscher schossen mit dem Freie-Elektronen-Laser LCLS am US-Forschungs­zentrum SLAC ultra­kurze und hoch­intensive Röntgen­blitze auf einen feinen Wasser­strahl. „Das ist sicher­lich nicht der übliche Weg, Wasser zu kochen“, erläutert Forschungs­leiter Carl Caleman vom Center for Free-Electron Laser Science am Deutschen Elek­tronen-Synchro­tron DESY. „Normaler­weise rüttelt man quasi immer stärker und stärker an den Wasser­mole­külen, wenn man Wasser erhitzt.“ Auf der mole­ku­laren Ebene ist Hitze gleich Bewe­gung. Je heißer, desto stärker bewegen sich die Mole­küle eines Stoffs. Das lässt sich beispiels­weise durch Wärme­über­tragung auf einer heißen Herd­platte erreichen, oder im Fall von Wasser direkter mit einem Mikro­wellen­ofen, der die Wasser­mole­küle dazu anregt, im Takt der Mikro­wellen zu schwingen.

„Unsere Heizung ist ganz anders“, betont Caleman. „Der energie­reiche Röntgen­blitz schlägt die Elek­tronen aus den Wasser­mole­külen hinaus und zer­stört so die Balance der elek­trischen Ladung. Die Atome spüren plötz­lich eine starke absto­ßende Kraft und beginnen, sich heftig zu bewegen.“ In weniger als 75 Femto­sekunden durch­läuft das Wasser eine Phasen­um­wand­lung von flüssig zu einem Plasma.

„Während aus dem flüssigen Wasser ein Plasma entsteht, behält es jedoch die Dichte des flüs­sigen Wassers bei, da die Atome noch keine Zeit hatten, sich nennens­wert zu bewegen“, erläutert Olof Jönsson von der Univer­sität Uppsala. 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“, sagt Jönsson. „Dabei ist er heißer als der Erd­kern.“

Die Forscher nutzten ihre Messungen, um Computer­simula­tionen des Pro­zesses zu vali­dieren. Die Messungen und Simula­tionen zusammen erlauben eine nähere Unter­suchung dieses exo­tischen Zustands, um die all­ge­meinen Eigen­schaften von Wasser besser zu verstehen. Wasser besitzt ver­schie­dene Ano­malien, etwa bei der Dichte, der Wärme­kapa­zität und der Wärme­leit­fähig­keit. Unter anderem diese Ano­malien sollen im Rahmen des künf­tigen, bei DESY geplanten Centre for Water Science genauer unter­sucht werden, und Beob­ach­tungen wie die jetzt vor­ge­stellte sind für diese Vor­haben von großer Rele­vanz.

Abgesehen von ihrer grundlegenden Bedeutung haben die Ergeb­nisse auch direkte Konse­quenzen für die Forschung mit Röntgen­lasern, mit denen Wissen­schaftler unter anderem die atomare Struktur winziger Proben unter­suchen. „Sie sind für jedes Röntgen­laser­experi­ment mit Flüssig­keiten von Bedeu­tung“, betont Kenneth Beyer­lein vom Center for Free-Electron Laser Science. „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.“ Für Kristalle haben Forscher gezeigt, dass sich ein nutz­bares Signal gewinnen lässt, bevor die Probe zer­stört wird.

In dem Experiment gab es in den ersten 25 Femto­sekunden nahezu keine struk­tu­rellen Ver­ände­rungen im Wasser. Nach 75 Femto­sekunden sind Ver­ände­rungen dagegen bereits deut­lich sicht­bar. „Die Studie lässt uns besser ver­stehen, was mit den ver­schie­denen Proben geschieht“, erläutert Nicusor Timneanu von der Univer­sität Uppsala, der die ver­wendete Theorie zur Model­lie­rung ent­schei­dend mit ent­wickelt hat. „Die Beob­ach­tungen sind auch wichtig für die Ent­wick­lung von Tech­niken zur Unter­suchung ein­zelner Mole­küle oder anderer winziger Partikel mit Röntgen­lasern.“

DESY / RK