Descoberto o mais rápido e poderoso aquecedor de água na Terra: 100000°C em apenas 0,000000000000075 segundos!

Usando um poderoso laser de raios-X direcionado para amostra de água líquida em temperatura ambiente (~25°C), cientistas conseguiram demonstrar um ultra-aquecimento de  100000°C em menos do que um décimo de um picossegundo. O feito, realizado por pesquisadores da Universidade de Uppsal, Suécia, e detalhado em uma publicação no periódico PNAS, produziu um exótico e estranho estado da água.

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Para esse aquecimento extremo, os pesquisadores usaram o laser livre de elétrons Linac Coherent Light Source LCLS no SLAC National Accelerator Laboratory, EUA, para atirar flashes de raios-X de grande intensidade e ultra-curtos em direção a um jato de água. Normalmente, nós aquecemos a água transferindo energia cinética por choque entre partículas ou via radiações eletromagnéticas, como o infravermelho ou o microondas. No fogão, por exemplo, a chama aquece o metal da panela - fazendo seus átomos vibrarem com bastante força tanto pelo choque das partículas de gás aquecido do fogo quanto pelas radiações eletromagnéticas geradas e absorvidas - e esta, por sua vez, aquece a água quando suas partículas em alta vibração se chocam com as moléculas de água e também transmitem infravermelho para ser absorvido por essas últimas (1).

• (1) Sugestão de leitura: Por que o calor passa do quente para o frio?

No caso do experimento com raios-X, o processo de aquecimento é um tanto diferente. A energética radiação de raios-X produzida - pulsos únicos de 6,86 keV com mais de 10^6 J/cm^2 - arranca elétrons das moléculas de água, gerando um desbalanço de cargas. Com várias cargas positivas muito juntas, subitamente as partículas começam a sentir uma enorme força repulsiva e começam a se mover violentamente. O resultado é que em cerca de 75 femtossegundos, a água passa por uma extrama mudança de estado físico que a leva de líquido para plasma (fase esta onde os elétrons são removidos dos átomos, levando a um conjunto de cargas positivas e negativas em rápido movimento).

Porém, nesse caso, enquanto a água está se transformando em plasma, ela permanece com a mesma densidade do líquido a 25°C e sob pressão moderada, já que os átomos não tiveram tempo suficiente para se moverem significativamente das suas posições. Esse é o novo estado exótico. Um plasma extremamente comprimido e ao mesmo tempo mais quente que o núcleo do nosso planeta. Esse estado possui características similares com alguns plasmas no Sol e em Júpiter (mas com menor densidade, por causa da pressão imposta pela gravidade absurda nesses corpos). Mas como o pulso de raios-X é extremamente rápido, essa breve transição de estado não é perceptível sem uma apropriada análise.

Esse achado traz um importante alerta para os centros de pesquisa ao redor do mundo, porque deixa claro que, se a matriz não for um sólido cristalino, ela sofrerá drásticas transformação durante a interação com o laser, sugerindo que qualquer estrutura biológica exposta a esse tipo de pulso de raios-X será destruída - método analítico que está ficando popular, especialmente nas investigações estruturais via Serial Femtosecond Crystallography.

Publicação do estudo: PNAS