Onderzoekers hebben water in een fractie van een seconde verhit van kamertemperatuur tot 100.000 graden Celsius. Dat deden ze door de vloeistof te bestralen met een krachtige röntgenlaser. Zo ontstond een nieuwe, exotische toestand van water.
De onderzoekers gebruikten de X-ray free-electron laser van het SLAC National Accelerator Laboratory in de Verenigde Staten. Daarmee vuurden ze korte, krachtige pulsen röntgenstraling af op een dunne waterstraal.
Moleculen schudden
Normaal gesproken wordt water verhit in een waterkoker, op het fornuis of met elektromagnetische straling in de magnetron. Hierbij stijgt de temperatuur van de vloeistof doordat de watermoleculen steeds harder door elkaar geschud worden. Hoe harder moleculen schudden, hoe hoger de temperatuur. Op moleculair niveau is beweging warmte.
De manier waarop de onderzoekers water tot de extreme temperatuur van 100.000 graden verhitten, is fundamenteel anders. De hoogenergetische röntgenstraling slaat elektronen uit de watermoleculen. Dat zorgt ervoor dat de verdeling van lading in de vloeistof uit balans wordt gebracht. De elektronloze atomen zijn dan positief geladen en stoten elkaar af. Daardoor beginnen ze wild te bewegen en stijgt de temperatuur van het water razendsnel.
Tijdens het bestralen gebeurt er de eerst 25 miljoenste van een miljardste seconde (25 femtoseconde, 10-15 s) niets. Maar binnen 75 femtoseconde verandert het water van een gewone vloeistof in een exotische plasma toestand. ‘En binnen een picoseconde [een duizendste van een miljardste van een seconde, 10-12 s] is het weer verdampt en afgekoeld’, zegt medeauteur Nicuşor Tîmneanu van de Uppsala Universitet.
Een plasma is een toestand waarin atomen een of meer van hun elektronen kwijt zijn. Meestal gedraagt plasma zich als een soort gas met een elektrische lading. Maar bij het water dat bestraald is met röntgen, blijft de dichtheid hoog. Het waterplasma is dus een soort vloeistof. De atomen hadden simpelweg de tijd niet om bij elkaar vandaan te bewegen.
Plaatjes van biomoleculen
Het onderzoek is niet alleen interessant omdat er een exotische toestand van water gemaakt wordt. Het heeft ook praktische toepassingen. Röntgenlasers worden namelijk steeds vaker gebruikt om kleine structuren te bestuderen. Zoals biomoleculen: moleculen die van nature voorkomen in planten en dieren. Water wordt vaak gebruikt als oplosmiddel en het is vaak aanwezig in biologische samples. Daarom is het belangrijk om te weten hoe het zich gedraagt onder invloed van röntgenstraling.
‘Ons doel is om röntgenlasers te gebruiken om afbeeldingen te maken van eiwitten en virussen’, zegt Tîmneanu. ‘Omdat daarbij vaak water aanwezig is, moeten we goed nadenken over hoe we deze afbeeldingen kunnen maken.’
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder: