A l'aide du laser à rayons X Européen XFEL, une équipe de recherche a étudié comment l'eau se réchauffe dans des conditions extrêmes. Dans le processus, les scientifiques ont pu observer de l'eau qui restait liquide même à des températures de plus de 170 degrés Celsius. L'enquête a révélé un comportement dynamique anormal de l'eau dans ces conditions. Les résultats de l'étude, qui sont publiés dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ), sont d'une importance fondamentale pour la planification et l'analyse des investigations d'échantillons sensibles utilisant des lasers à rayons X.

XFEL européen, un centre de recherche international, qui s'étend du site DESY à Hambourg à la ville voisine de Schenefeld dans le Schleswig-Holstein, abrite le laser à rayons X le plus puissant au monde. Il peut générer jusqu'à 27 000 flashs de rayons X intenses par seconde. Pour leurs expériences, les chercheurs ont utilisé des séries de 120 flashs chacun. Les flashs individuels étaient espacés de moins d'un millionième de seconde (exactement 0,886 microseconde). Les scientifiques ont envoyé ces trains d'impulsions dans un tube en verre de quartz rempli d'eau et observé la réaction de l'eau.

"Nous nous sommes demandé combien de temps et à quelle force l'eau peut être chauffée dans le laser à rayons X et si elle se comporte toujours comme de l'eau, " explique l'auteur principal Felix Lehmkühler de DESY. "Par exemple, fonctionne-t-elle toujours comme un réfrigérant à haute température ?" Une compréhension détaillée de l'eau surchauffée est également essentielle pour un grand nombre d'enquêtes sur des échantillons thermosensibles, tels que des polymères ou des échantillons biologiques.

"Avec les flashs à rayons X, nous avons pu chauffer l'eau jusqu'à 172 degrés Celsius en un dix millième de seconde sans qu'elle s'évapore, " rapporte Lehmkühler. Un tel retard d'ébullition ne peut normalement être observé que jusqu'à environ 110 degrés Celsius. " Mais ce n'est pas la seule caractéristique anormale, " souligne le physicien. Les scientifiques ont étudié le mouvement des nanosphères de silicium flottant dans l'eau comme marqueurs de la dynamique dans l'échantillon. " Dans l'eau extrêmement surchauffée, nous avons observé que le mouvement des nanosphères de dioxyde de silicium s'écartait considérablement du mouvement moléculaire brownien aléatoire attendu. Cela indique un chauffage inégal de l'échantillon, " explique Lehmkühler. Les modèles théoriques existants ne peuvent pas encore expliquer de manière satisfaisante ce comportement car ils ne sont pas conçus pour l'eau dans ces conditions extrêmes.

Grâce à la séquence flash rapide du XFEL européen, les chercheurs ont pu observer le processus dans les moindres détails. "Ce qui rend le XFEL européen unique, c'est le taux de répétition élevé, C'est, le nombre élevé d'impulsions par seconde", explique le co-auteur Adrian Mancuso, chef de l'instrument SPB/SFX au XFEL européen où les expériences ont eu lieu. "Et nous avons toute l'instrumentation en place, comme des caméras rapides, diagnostics et plus encore, pour rendre ces expériences possibles". Par exemple, le détecteur de pixels intégrateur de gain adaptatif (AGIPD) développé par un consortium dirigé par DESY peut prendre environ 350 images en série à des intervalles de seulement 220 milliardièmes de seconde (nanosecondes).

Cette configuration a non seulement permis de générer de l'eau surchauffée, mais a également permis aux scientifiques de réaliser des séries d'expériences contrôlées avec précision avec des flashs de rayons X d'intensité réduite. "En utilisant des filtres en silicone, nous avons affiné l'énergie des impulsions afin de pouvoir contrôler exactement à quel point l'eau était chauffée, " rapporte Lehmkühler. " Par exemple, nous avons pu déterminer la force des flashs de rayons X pour que la température d'un échantillon aqueux reste plus ou moins constante".

Cela permet aux chercheurs de mieux planifier les expériences avec des échantillons thermosensibles au laser à rayons X, par exemple. D'autre part, l'effet chauffant peut également être utilisé de manière ciblée si son évolution exacte est connue. L'équipe prévoit d'approfondir ces effets également dans le cadre du Center for Molecular Water Science (CMWS), qui est en cours de mise en place à DESY.

"Nos résultats fournissent non seulement l'observation surprenante d'une dynamique anormale, mais aussi dessiner une image détaillée de la façon dont les échantillons aqueux se réchauffent dans le laser à rayons X, " résume le chercheur principal Gerhard Grübel de DESY, l'un des coordonnateurs du CMWS. "En outre, les investigations prouvent que de telles images en série sont possibles au XFEL européen et que ses flashs sont extrêmement uniformes dans chaque train d'impulsions".