170°de Sıvı Su
X-ışını lazeri, ultra hızlı ısıtmada anormal dinamikleri ortaya çıkarır. Bir araştırma ekibi, X-ışını lazeri Avrupa XFEL(European X-Ray Free-Electron Laser )’i kullanarak, suyun aşırı koşullar altında nasıl ısındığını araştırdı. Bu süreçte bilim adamları, 170°C nin üzerindeki sıcaklıklarda bile sıvı kalan suyu gözlemleyebildiler. Araştırma, suyun bu koşullar altında anormal bir dinamik davranışını ortaya çıkardı. Proceedings of the National Academy of Sciences’da ( PNAS ) yayınlanan çalışmanın sonuçları, X-ışını lazerleri kullanılarak hassas numunelerin araştırmalarının planlanması ve analizi için büyük önem taşıyor.
Hamburg’daki DESY (Deutsche Elektronen Synchrotron)tesisinden Schleswig-Holstein’daki komşu Schenefeld kasabasına kadar uzanan uluslararası bir araştırma tesisi olan European XFEL, dünyadaki en güçlü X-ışını lazerine ev sahipliği yapıyor. Saniyede 27.000’e kadar yoğun X-ışını flaşı oluşturabilir. Araştırmacılar deneyleri için her biri 120 flaş serisi kullandılar. Tek tek flaşlar saniyenin milyonda birinden daha azdı (tam olarak 0.886 mikrosaniye). Bilim insanları bu darbe katarını ince, su dolu kuvars cam bir tüpe gönderdiler ve suyun reaksiyonunu gözlemlediler.
DESY’den başyazar Felix Lehmkühler, “Kendimize suyun X-Ray lazerinde ne kadar süreyle ve ne kadar güçlü ısıtılabileceğini ve hala su gibi davranıp davranmadığını sorduk” diyor. “Örneğin, yüksek sıcaklıklarda hala soğutucu olarak işlev görüyor mu?” Polimerler veya biyolojik numuneler gibi ısıya duyarlı numuneler üzerinde çok sayıda araştırma için aşırı ısıtılmış suyun ayrıntılı bir şekilde anlaşılması da gereklidir. Lehmkühler, “X-ışını flaşlarıyla, suyu buharlaşmadan saniyenin on binde biri içinde 172 santigrat dereceye kadar ısıtabildik” diyor. Böyle bir kaynama gecikmesi normalde yalnızca yaklaşık 110 santigrat dereceye kadar gözlemlenebilir. Fizikçi, “Ancak tek anormal özellik bu değil” diye vurguluyor.
Bilim adamları, suda yüzen silikon nanosferlerin hareketini numunedeki dinamikler için işaretler olarak araştırdılar. Lehmkühler, “Aşırı ısınmış suda, silikon dioksit nanosferlerinin hareketinin beklenen rastgele Brown moleküler hareketinden önemli ölçüde saptığını gözlemledik. Bu, numunenin düzensiz bir şekilde ısındığını gösterir,” diyor. Mevcut teorik modeller bu davranışı henüz tatmin edici bir şekilde açıklayamıyor çünkü bu aşırı koşullar altında su için tasarlanmamışlar. Avrupa XFEL’in hızlı flaş dizisi sayesinde, araştırmacılar süreci son derece ayrıntılı bir şekilde gözlemleyebildiler. Deneylerin gerçekleştiği Avrupa XFEL’de SPB / SFX enstrümanı başkanı ortak yazar Adrian Mancuso, “Avrupa XFEL’i benzersiz kılan şey, yüksek tekrar oranı, yani saniyedeki yüksek atım sayısıdır,” diye açıklıyor. “Ve bu deneyleri mümkün kılmak için hızlı kameralar, teşhisler ve daha fazlası gibi tüm enstrümantasyona sahibiz.” Örneğin, DESY liderliğindeki bir konsorsiyum tarafından geliştirilen Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD: Piksel Dedektörünü Entegre Eden Uyarlanabilir Kazanç) saniyenin yalnızca 220 milyarda biri (nanosaniye) aralıklarla yaklaşık 350 seri görüntü alabilir. Bu kurulum sadece aşırı ısıtılmış suyun üretilmesine izin vermekle kalmadı, aynı zamanda bilim insanlarının, düşük yoğunluklu X-ışını flaşları ile hassas bir şekilde kontrol edilen deneyler serisini gerçekleştirmesine de olanak sağladı. Lehmkühler, “Silikon filtreler kullanarak, suyun tam olarak ne kadar ısıtıldığını kontrol edebilmemiz için vuruşların enerjisine ince ayar yaptık” diyor. “Örneğin, sulu bir numunenin sıcaklığının aşağı yukarı sabit kalması için X-ışını flaşlarının ne kadar güçlü olması gerektiğini belirleyebildik.” Bu, araştırmacıların örneğin X-ışını lazerinde ısıya duyarlı numunelerle deneyleri daha iyi planlamasına olanak tanır. Öte yandan, kesin seyri biliniyorsa, ısıtma etkisi hedeflenen bir şekilde de kullanılabilir. Ekip, şu anda DESY’de kurulmakta olan Moleküler Su Bilimi Merkezi (CMWS: Centre for Molecular Water Science) çerçevesinde de bu etkileri daha fazla araştırmayı planlıyor. CMWS koordinatörlerinden biri olan DESY’den baş araştırmacı Gerhard Grübel, “Sonuçlarımız sadece anormal bir dinamiğin şaşırtıcı bir gözlemini sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda sulu numunelerin X-ışını lazerinde nasıl ısındığının ayrıntılı bir resmini de çiziyor” diye özetliyor. “Ek olarak, araştırmalar bu tür seri görüntülerin Avrupa XFEL’de mümkün olduğunu ve flaşlarının her vuruş katında son derece düzgün olduğunu kanıtlıyor.
Kaynak: sciencedaily.com
