Πως το νερό μπορεί να θερμανθεί σχεδόν ακαριαία …στους 600 βαθμούς Κελσίου

Μια ριπή ακτινοβολίας terahertz μπορεί να θερμάνει το νερό στους 600 βαθμούς Κελσίου σε μισό πικοδευτερόλεπτο, με το νερό να διατηρεί την πυκνότητα της υγρής φάσης. Credit: Oriol Vendrell/DESY

Τίποτα δεν θερμαίνει το νερό ταχύτερα από ένα θεωρητικό σύστημα που εκπέμπει ριπές ακτινοβολίας «terahertz», ικανό να ανεβάζει τη θερμοκρασία στους 600 βαθμούς Κελσίου σε μισό τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Η τεχνολογία δεν προορίζεται πάντως για την κουζίνα, αλλά για τη μελέτη χημικών αντιδράσεων.

Η νέα προσέγγιση, η οποία δεν έχει δοκιμαστεί ακόμα σε πρακτικό επίπεδο, αναπτύχθηκε στο Κέντρο Επιστήμης Λέιζερ Ελεύθερων Ηλεκτρονίων στο Αμβούργο.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν υπερυπολογιστή για να προσομοιώσουν πώς αντιδρά το νερό στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία terahertz (10¹² Hertz), δηλαδή αόρατο φως με συχνότητα που βρίσκεται ανάμεσα στα ραδιοκύματα και την υπέρυθρη ακτινοβολία.

Παλμοί ακτινοβολίας terahertz μπορούν να παραχθούν από τα λεγόμενα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων, τα οποία αναγκάζουν ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας να ακολουθήσουν μια καμπύλη διαδρομή. Σε κάθε στροφή αυτής της διαδρομής, τα ηλεκτρόνια εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η οποία συγκεντρώνεται τελικά στη δέσμη του λέιζερ.

Η ακτινοβολία terahertz αλλάζει σχεδόν ακαριαία την ένταση των αλληλεπιδράσεων ανάμεσα στα μόρια νερού και τα αναγκάζει να δονούνται βίαια, δηλαδή τα θερμαίνει.

Προκειμένου να υπολογίσουν την επίδραση της ακτινοβολίας στα μόρια νερού, οι ερευνητές χρειάστηκαν 200.000 ώρες επεξεργασίας σε έναν υπερυπολογιστή παράλληλης επεξεργασίας. Όπως επισημαίνουν, ένα απλό οικιακό PC με μονοπύρηνο επεξεργαστή θα χρειαζόταν 20 χρόνια για να δώσει απάντηση στο πρόβλημα.

«Υπολογίσαμε ότι είναι δυνατόν να θερμάνουμε το νερό στους 600 βαθμούς Κελσίου σε μισό πικοδευτερόλεπτο (10^-12 δευτερόλεπτα), με το νερό να διατηρεί την πυκνότητα της υγρής φάσης» αναφέρει ο Όριολ Βέντρελ, επικεφαλής της θεωρητικής μελέτης, η οποία δημοσιεύεται στην επιθεώρηση Angewandte Chemie International Edition.

Απεικόνιση μοριακού νέφους νερού. Credit: Oriol Vendrell/DESY

Ουσιαστικά το νερό θερμαίνεται σχεδόν ακαριαία -ένα πικοδευτερόλεπτο είναι για το δευτερόλεπτο ότι είναι ένα δευτερόλεπτο για 32.000 χρόνια.

Ο βραστήρας terahertz θα μπορούσε να βράσει μόλις ένα νανολίτρο (δισεκατομμυριοστό του λίτρου) νερού κάθε φορά, η ποσότητα αυτή θα ήταν όμως αρκετή για τους ερευνητές.

Το σύστημα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την καταγραφή των επιμέρους σταδίων σε γρήγορες χημικές αντιδράσεις.

«Το νερό είναι το σημαντικότερο μέσο μέσα στο οποίο συμβαίνουν οι χημικές και βιολογικές διαδικασίες» σχολιάζει ο Δρ Βέντρελ. «Το νερό δεν είναι ένας παθητικός διαλύτης, καθώς παίζει σημαντικό ρόλο στη δυναμική των χημικών αντιδράσεων».

»Η ιδέα είναι να θερμάνουμε τον διαλύτη [το νερό] έτσι ώστε να αρχίσουν την επιθυμητή αντίδραση πολλά μόρια ταυτόχρονα. Μπορούμε τότε να παρακολουθήσουμε την αντίδραση να εξελίσσεται» εξηγεί.

Συγκεκριμένα, ο βραστήρας terahertz θα φρόντιζε να θερμάνει το διάλυμα για να ξεκινήσει ομοιόμορφα η αντίδραση, ενώ η ίδια η αντίδραση θα καταγραφόταν με τη βοήθεια εξαιρετικά σύντομων παλμών ακτίνων Χ.

Τέτοιοι παλμοί θα είναι δυνατό να παραχθούν στο European XFEL, μια εγκατάσταση μήκους 3,4 χιλιομέτρων κοντά στο Αμβούργο, η οποία θα χρησιμοποιεί λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων για να παράγει ακτίνες-Χ υψηλής ενέργειας.
news.in.gr - www.desy.de

physicsgg

ΑΠΟΚΑΛΥΨΗ ΤΟ ΕΝΑΤΟ ΚΥΜΑ