De l’eau chauffée à 100 000 degrés Celsius en 0,000 000 000 000 075 seconde

Les scientifiques ont utilisé un puissant laser à rayons X pour chauffer l’eau à 100 000 degrés Celsius en moins d’un dixième de picoseconde (millionième de millionième de seconde).


Les scientifiques ont utilisé un puissant laser à rayons X pour chauffer l'eau à 100 000 degrés Celsius en moins d'un dixième de picoseconde (millionième de millionième de seconde).


Le dispositif expérimental, que l’on peut considérer comme le chauffe-eau le plus rapide du monde, a produit un état d’eau exotique, à partir duquel les chercheurs espèrent en apprendre davantage sur les caractéristiques particulières du liquide le plus important de la Terre. Les observations ont également une utilisation pratique pour le sondage biologique et de nombreux autres échantillons avec des lasers à rayons X. L’équipe de Carl Caleman du Centre de science des lasers à électrons libres (CFEL) de DESY et de l’Université d’Uppsala (Suède) rapporte leurs résultats dans la revue PNAS.1

De l’eau chauffée à 100 000 degrés Celsius en un dixième de picoseconde

Les chercheurs ont utilisé le laser à rayons X du Linac Coherent Light Source (LCLS) au SLAC National Accelerator Laboratory aux États-Unis pour tirer des jets de rayons X extrêmement intenses et ultra-courts à un jet d’eau. C’est une manière inhabituelle pour bouillir de l’eau selon Caleman. Normalement, quand vous chauffez de l’eau, les molécules vont juste être secouées de plus en plus fort. Au niveau moléculaire, la chaleur est un mouvement et plus le mouvement des molécules est rapide et plus elles sont rapides. On peut le faire, par exemple, via un transfert de chaleur à partir d’un poêle, ou plus directement avec des micro-ondes qui font que les molécules d’eau se balancent d’avant en arrière plus rapidement au fur et à mesure du champ électromagnétique.

Notre chauffage est fondamentalement différent selon Caleman. Les rayons X perforent les molécules d’eau en détruisant ainsi l’équilibre des charges électriques de sorte que les atomes ressentent soudainement une forte force répulsive et commencent à se déplacer violemment. En moins de 75 femtosecondes, soit 75 millionièmes de milliardième de seconde ou 0,000 000 000 000 075 seconde, l’eau passe par une phase de transition du liquide au plasma. Un plasma est un état de la matière où les électrons ont été retirés des atomes en conduisant à une sorte de gaz électriquement chargés.

L’état particulier du plasma

Mais alors que l’eau se transforme du liquide au plasma, elle reste à la densité de l’eau liquide, car les atomes n’ont pas encore eu le temps de bouger significativement selon le co-auteur Olof Jönsson de l’Université d’Uppsala. Cet état exotique de la matière n’existe pas naturellement sur Terre. Il a des caractéristiques similaires à celles de certains plasmas du soleil et de Jupiter, mais il a une densité plus faible alors qu’il est plus chaud que le coeur de la Terre.

Les scientifiques ont utilisé leurs mesures pour valider les simulations du processus. Ensemble, les mesures et les simulations permettent d’étudier cet état exotique de l’eau afin d’en apprendre plus sur les propriétés générales de l’eau. L’eau est vraiment un liquide étrange et si elle n’avait pas ces caractéristiques particulières, de nombreuses sur Terre seraient impossible, notamment la vie selon Jönsson. L’eau présente de nombreuses anomalies, notamment sa densité, sa capacité calorifique et sa conductivité thermique. Ce sont ces anomalies qui seront étudiées au sein du futur Centre pour la Science de l’Eau (CWS) prévu à DESY et les résultats obtenus sont d’une grande importance pour ces activités.

En dehors de sa signification fondamentale, l’étude a également une signification pratique immédiate. Les lasers à rayons X sont souvent utilisés pour étudier la structure atomique de minuscules échantillons. C’est important pour toute expérience impliquant des liquides aux lasers à rayons X selon le co-auteur Kenneth Beyerlein de CFEL. En fait, tout échantillon que vous mettez dans le faisceau de rayons X sera détruit de la manière que nous avons observée.

Les mesures ne montrent quasiment aucun changement structurel dans l’eau jusqu’à 25 femtosecondes après l’impulsion de rayons X. Mais à 75 femtosecondes, les changements sont déjà évidents. L’étude nous donne une meilleure compréhension de ce que nous faisons à différents échantillons selon le co-auteur Nicusor Timneanu de l’Université d’Uppsala, l’un des principaux scientifiques à développer le modèle théorique utilisé. Ses observations sont également importantes à considérer pour le développement de techniques d’imagerie de molécules uniques ou d’autres particules minuscules avec des lasers à rayons X.

Sources

1.
PNAS. PNAS. 10.1073/pnas.11220″ target=”_blank” rel=”noopener noreferrer”>http://dx.doi.org/10.1073/pnas.11220. Published May 14, 2018. Accessed May 14, 2018.
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About Jacqueline Charpentier

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Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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