Para ilmuwan telah menggunakan laser sinar-X yang kuat untuk memanaskan air dari suhu kamar hingga 100.000 derajat Celcius dalam waktu kurang dari 10 piko detik (sepersejuta dari sepersejuta detik).
Pengaturan eksperimental, yang dapat dipandang sebagai pemanas air tercepat di dunia, menghasilkan keadaan eksotis air di mana para peneliti berharap untuk belajar lebih banyak tentang karakteristik khas air.
Pengamatan juga memiliki penggunaan praktis untuk penyelidikan secara biologis dan berbagai sampel lain dengan laser sinar-X. Tim Carl Caleman dari Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) dari DESY dan Uppsala University (Swedia) melaporkan temuannya dalam jurnal Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS).
Para peneliti menggunakan laser sinar-X bebas elektron Linac Coherent Light Source (LCLS) di Laboratorium Akselerator Nasional (SLAC) di AS untuk menembakkan sinar X yang sangat intens dan cahaya ultra-pendek pada pancaran air.
“Ini bukan cara biasa untuk merebus air Anda,” kata Caleman. “Biasanya, ketika kita memanaskan air, molekul akan terguncang lebih kuat dan kuat.” Pada tingkat molekuler, panas adalah gerakan — semakin panas, semakin cepat gerakan molekul. Hal ini dapat dicapai, misalnya, melalui transfer panas dari kompor, atau lebih langsung dengan gelombang mikro yang membuat molekul air berayun bolak-balik lebih cepat dalam iramanya dengan medan elektromagnetik.
“Pemanasan kami pada dasarnya berbeda,” jelas Caleman. “Sinar X yang energik menghantam elektron dari molekul air , sehingga merusak keseimbangan muatan listrik. Jadi, atom tiba-tiba merasakan gaya tolak yang kuat dan mulai bergerak dengan keras.”
Dalam waktu kurang dari 75 femtosekon, yaitu 0,000 000 000 000 075 detik, air melewati fase transisi dari cair ke plasma. Plasma adalah keadaan materi di mana elektron telah dihapus dari atom, yang mengarah ke semacam gas bermuatan listrik.
“Tapi sementara air berubah dari cair menjadi plasma, air tetap berada pada kepadatan cairan, karena atom-atom tidak memiliki waktu untuk bergerak secara signifikan,” kata rekan penulis Olof Jönsson dari Uppsala University. Keadaan eksotis materi tidak ada yang dapat ditemukan secara alami di Bumi. “Ia memiliki karakteristik yang mirip dengan beberapa plasma di matahari dan raksasa gas Jupiter, tetapi memiliki kepadatan yang lebih rendah. Namun, lebih panas dari inti Bumi.”
Para ilmuwan menggunakan pengukuran mereka untuk memvalidasi simulasi proses. Bersama-sama, pengukuran dan simulasi memungkinkan untuk mempelajari keadaan air eksotis ini untuk mempelajari lebih lanjut tentang sifat umum air.
“Air benar-benar cairan yang aneh, dan jika bukan karena karakteristiknya yang aneh, banyak hal di Bumi yang tidak akan seperti saat ini, terutama kehidupan,” Jonsson menekankan. Air menampilkan banyak anomali, termasuk kerapatannya, kapasitas panas dan konduktivitas termal. Anomalinya ini yang akan diselidiki di Pusat Ilmu Air (CWS) masa depan yang direncanakan pada DESY, dan hasil yang diperoleh sangat penting untuk kegiatan di sana.
Terlepas dari signifikansi fundamentalnya, penelitian ini juga memiliki signifikansi praktis langsung. Laser sinar-X sering digunakan untuk menyelidiki struktur atom dari sampel-sampel kecil. “Ini penting untuk percobaan yang melibatkan cairan pada laser sinar-X,” kata rekan penulis Kenneth Beyerlein dari CFEL. “Bahkan, setiap sampel yang Anda masukkan ke dalam sinar-X akan dihancurkan dengan cara yang kami amati. Jika Anda menganalisis sesuatu yang bukan kristal, Anda harus mempertimbangkan ini.”
Pengukuran menunjukkan hampir tidak ada perubahan struktural dalam air hingga 25 femtosekon setelah pulsa sinar-X mulai mengenainya. Tetapi pada 75 femtosekon, perubahan sudah terbukti. “Studi ini memberi kita pemahaman yang lebih baik tentang apa yang kita lakukan untuk sampel yang berbeda,” jelas rekan penulis Nicusor Timneanu dari Universitas Uppsala, salah satu ilmuwan kunci yang mengembangkan model teoritis yang digunakan. “Pengamatannya juga penting untuk dipertimbangkan untuk pengembangan teknik, untuk menggambarkan molekul tunggal atau partikel kecil lainnya dengan laser sinar-X.”
