Água ferve instantaneamente e vira plasma

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/05/2018

Simulação do movimento das moléculas e átomos de água nos primeiros 70 femtossegundos do pulso de raios X. [Imagem: Carl Caleman/CFEL/DESY/Uppsala University]

Aquecedor mais rápido do mundo

Você não encontrará nenhuma dupla fogão/chaleira que consiga bater o experimento realizado por Kenneth Beyerlein e colegas da Universidade de Uppsala, na Suécia, e do síncrotron DESY, na Alemanha.

Eles transformam um poderoso laser de raios X no aquecedor mais rápido do mundo, alcançando 100.000º C em menos de um décimo de picossegundo, que é um milionésimo de milionésimo de segundo.

Se você prefere em números, aí vai: 100.000 graus Celsius em 0,000 000 000 000 075 segundo - ou 75 femtossegundos. É definitivamente o aquecedor mais rápido da Terra.

Beyerlein não queria ferver água para fazer café, é claro: a ideia era criar um estado exótico da matéria que permita estudar a água de uma forma inédita, em busca de decifrar as propriedades inusitadas do líquido mais importante da Terra - as chamadas anomalias da água.

Plasma de água

É fácil prever que a água não ferveu da maneira normal. No nível molecular, quando a água ferve em uma chaleira o calor é movimento - quanto mais rápido o movimento das moléculas, mais quente estará a água.

"Nosso aquecimento é fundamentalmente diferente," explicou o professor Carl Caleman. "Os raios X energéticos arrancam os elétrons das moléculas de água, destruindo assim o equilíbrio das cargas elétricas. Então, repentinamente, os átomos sentem uma forte força repulsiva e começam a se mover violentamente."

Os dados experimentais foram utilizados para validar a modelagem teórica da dinâmica - aqui são vistas as rotas dos átomos no plasma. [Imagem: Carl Caleman/CFEL/DESY/Uppsala University]

A água passa então por uma transição de fase de líquido para plasma - um plasma é um estado da matéria onde os elétrons foram removidos dos átomos, levando a uma espécie de gás eletricamente carregado.

"Mas, mesmo quando a água se transforma de líquido em plasma, ela permanece na densidade da água líquida, já que os átomos não tiveram tempo de se mover significativamente ainda," detalhou Olof Jönsson, membro da equipe.

Mais quente do que o núcleo da Terra

Esse exótico plasma de água é diferente de qualquer coisa que possa ser encontrada naturalmente na Terra. "Isso tem características semelhantes com alguns plasmas no Sol e no gigante gasoso Júpiter, mas tem uma densidade menor. Ao mesmo tempo, é mais quente do que o núcleo da Terra," acrescentou Olof.

"Além do seu significado fundamental, o estudo também tem significado prático imediato. Os lasers de raios X são frequentemente usados para investigar a estrutura atômica de pequenas amostras. É importante para qualquer experimento envolvendo líquidos em lasers de raios X," disse Kenneth Beyerlein. "Na verdade, qualquer amostra que você colocar no feixe de raios X será destruída da maneira que observamos. Se você analisar qualquer coisa que não seja um cristal, você deve levar isso em conta."

Bibliografia:

Ultrafast non-thermal heating of water initiated by an X-ray Free-Electron Laser
Kenneth R. Beyerlein, H. Olof Jönsson, Roberto Alonso-Mori, Andrew Aquila, Sasa Bajt, Anton Barty, Richard Bean, Jason E. Koglin, Marc Messerschmidt, Davide Ragazzon, Dimosthenis Sokaras, Garth J. Williams, Stefan Hau-Riege, Sébastien Boutet, Henry N. Chapman, Nicusor Timneanu, Carl Caleman
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: 201711220
DOI: 10.1073/pnas.1711220115