Científicos de la Universidad de Uppsala (Suecia) y del Sincrotrón Alemán de Electrones (DESY) han logrado utilizar un potente láser de rayos X para calentar agua en temperatura ambiente hasta los 100.000 grados centígrados en solo 75 femtosegundos, es decir, 0,000000000000075 segundos, creando así agua en estado de plasma a 100.000 grados.
Las mediciones no muestran casi ningún cambio estructural en el agua hasta 25 femtosegundos después de que el pulso de rayos X comienza a golpearla; pero a los 75 femtosegundos, los cambios ya son evidentes. Las observaciones también son importantes a considerar para el desarrollo de técnicas para obtener imágenes de moléculas individuales u otras partículas diminutas con láser de rayos X.
Los experimentos, publicados recientemente en «Proceedings of the national Academy of Siences» les han permitido producir el calentador de agua más rápido del planeta y en consecuencia producir un estado exótico del líquido con el que esperan estudiar las interesantes propiedades del agua.
No es la forma habitual de calentar el agua ya que normalmente, cuando calientas agua, las moléculas comienzan a moverse más y más rápidamente, pero el método usado es distinto ya que los rayos X cargados de energía empujan a los electrones fuera de las moléculas de agua, rompiendo el balance de las cargas eléctricas. De esta manera, los átomos quedan libres de una potente fuerza repulsiva y comienzan a moverse violentamente.
Hay que tener en cuenta que, a nivel molecular, el calor es movimiento: cuanto más caliente está algo, más veloz es el movimiento de sus moléculas. Esto se puede inducir por transferencia de calor, como hace una estufa. Esta radiación crea un campo electromagnético que mueve el agua cada vez más rápido, aumentando por tanto su temperatura.
En este caso, los científicos han empleado un método más directo. Han usado rayos X para «romper» el agua. En menos de 75 femtosegundos, han logrado que el agua pase de estar en estado líquido a plasma. Este es un estado de la materia en el que los electrones han sido expulsados de los átomos y que se comporta como un gas cargado eléctricamente.
En ese instante, tras el impacto de los rayos X, el agua se transforma en un plasma, pero conserva la densidad de agua, porque los átomos no han tenido tiempo para moverse de forma significativa. Esto crea un estado del agua que no existe en la naturaleza. Tiene las mismas características que algunos plasmas en el Sol y en Júpiter, pero con menor densidad. Además, es más caliente que el núcleo de la Tierra.
Para crear este peculiar estado, los investigadores han usado uno de los láser de rayos X más potentes en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC en Estados Unidos.
¿Qué utilidad tiene crear este exótico estado del agua? Básicamente, los científicos han hecho dos cosas: por una parte han sacado importantes conclusiones en relación con la tecnología de observación de moléculas individuales con láser de rayos X, y por otra, han combinado observaciones con simulaciones con el fin de comprender mejor las propiedades del agua, en concreto, pretenden estudiar su densidad, capacidad calorífica y conductividad térmica.
«El agua es realmente un líquido muy extraño, y si no fuera por muchas de sus peculiares características, muchos aspectos de la Tierra, en especial, la vida, no serían como son», ha recordado Jönsson.
Como el agua está compuesta por moléculas de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, tiene la capacidad de formar puentes de hidrógeno con otras moléculas. Esto la convierte en un disolvente universal, le da una elevada tensión superficial (lo que permite a algunos animales caminar sobre el agua) y una propiedad conocida como capilaridad que permite a las plantas transportar la savia bruta desde la raíz a las hojas.
Además, el agua es una molécula con elevados puntos de fusión y ebullición, lo que quiere decir que hace falta mucha energía para pasarla de sólido a líquido y de líquido a gas. Esto regula y amortigua el clima de la Tierra (tampón térmico) y es crucial en la fisiología de los seres vivos: por ejemplo, es el motivo por el que la transpiración de animales y plantas permita disipar calor. Además, la densidad máxima del agua se alcanza cuando está a cuatro grados centígrados y no congelada, lo que lleva a que normalmente solo se hiele la superficie de lagos y océanos, y los seres vivos que viven en el fondo puedan sobrevivir en las épocas más frías.
Todas estas propiedades serán investigadas dentro del futuro Centro de Ciencias del Agua (CWS) y los resultados obtenidos son de gran importancia para las actividades que se realizan allí.
Las mediciones no muestran casi ningún cambio estructural en el agua hasta 25 femtosegundos después de que el pulso de rayos X comienza a golpearla; pero a los 75 femtosegundos, los cambios ya son evidentes. Las observaciones también son importantes a considerar para el desarrollo de técnicas para obtener imágenes de moléculas individuales u otras partículas diminutas con láser de rayos X.
Los experimentos, publicados recientemente en «Proceedings of the national Academy of Siences» les han permitido producir el calentador de agua más rápido del planeta y en consecuencia producir un estado exótico del líquido con el que esperan estudiar las interesantes propiedades del agua.
No es la forma habitual de calentar el agua ya que normalmente, cuando calientas agua, las moléculas comienzan a moverse más y más rápidamente, pero el método usado es distinto ya que los rayos X cargados de energía empujan a los electrones fuera de las moléculas de agua, rompiendo el balance de las cargas eléctricas. De esta manera, los átomos quedan libres de una potente fuerza repulsiva y comienzan a moverse violentamente.
Hay que tener en cuenta que, a nivel molecular, el calor es movimiento: cuanto más caliente está algo, más veloz es el movimiento de sus moléculas. Esto se puede inducir por transferencia de calor, como hace una estufa. Esta radiación crea un campo electromagnético que mueve el agua cada vez más rápido, aumentando por tanto su temperatura.
En este caso, los científicos han empleado un método más directo. Han usado rayos X para «romper» el agua. En menos de 75 femtosegundos, han logrado que el agua pase de estar en estado líquido a plasma. Este es un estado de la materia en el que los electrones han sido expulsados de los átomos y que se comporta como un gas cargado eléctricamente.
En ese instante, tras el impacto de los rayos X, el agua se transforma en un plasma, pero conserva la densidad de agua, porque los átomos no han tenido tiempo para moverse de forma significativa. Esto crea un estado del agua que no existe en la naturaleza. Tiene las mismas características que algunos plasmas en el Sol y en Júpiter, pero con menor densidad. Además, es más caliente que el núcleo de la Tierra.
Para crear este peculiar estado, los investigadores han usado uno de los láser de rayos X más potentes en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC en Estados Unidos.
¿Qué utilidad tiene crear este exótico estado del agua? Básicamente, los científicos han hecho dos cosas: por una parte han sacado importantes conclusiones en relación con la tecnología de observación de moléculas individuales con láser de rayos X, y por otra, han combinado observaciones con simulaciones con el fin de comprender mejor las propiedades del agua, en concreto, pretenden estudiar su densidad, capacidad calorífica y conductividad térmica.
«El agua es realmente un líquido muy extraño, y si no fuera por muchas de sus peculiares características, muchos aspectos de la Tierra, en especial, la vida, no serían como son», ha recordado Jönsson.
Como el agua está compuesta por moléculas de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, tiene la capacidad de formar puentes de hidrógeno con otras moléculas. Esto la convierte en un disolvente universal, le da una elevada tensión superficial (lo que permite a algunos animales caminar sobre el agua) y una propiedad conocida como capilaridad que permite a las plantas transportar la savia bruta desde la raíz a las hojas.Además, el agua es una molécula con elevados puntos de fusión y ebullición, lo que quiere decir que hace falta mucha energía para pasarla de sólido a líquido y de líquido a gas. Esto regula y amortigua el clima de la Tierra (tampón térmico) y es crucial en la fisiología de los seres vivos: por ejemplo, es el motivo por el que la transpiración de animales y plantas permita disipar calor. Además, la densidad máxima del agua se alcanza cuando está a cuatro grados centígrados y no congelada, lo que lleva a que normalmente solo se hiele la superficie de lagos y océanos, y los seres vivos que viven en el fondo puedan sobrevivir en las épocas más frías.
Todas estas propiedades serán investigadas dentro del futuro Centro de Ciencias del Agua (CWS) y los resultados obtenidos son de gran importancia para las actividades que se realizan allí.
Fuentes: ABC y Europa Press
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