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Podría considerarse el calentador más rápido de agua del mundo. El que quisiera cualquier chef en su cocina. Suficientemente poderoso para calentar agua desde la temperatura ambiente a 100.000 grados Celsius en menos de una décima parte de un picosegundo (una millonésima de millonésima de segundo).
El calentador es en realidad un potente láser que en manos del equipo de Carl Caleman del Centro para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL) en Alemania y la Universidad de Uppsala, Suecia, sirvió a los científicos para producir un estado de agua exótico, del cual los investigadores esperan aprender más sobre las características peculiares del líquido más importante de la Tierra.
Los investigadores utilizaron el láser de electrones libres conocido como Linac Coherent Light Source, que alberga el laboratorio el National Accelerator Laboratoy, del Departamento de Energía de los Estados Unidos, para disparar flashes extremadamente intensos y ultracortos de rayos X en un chorro de agua.
"No es la forma habitual de hervir el agua", dijo Caleman a través de un comunicado. "Normalmente, cuando calientas agua, las moléculas se agitarán más y más fuerte". A nivel molecular, el calor es el movimiento: cuanto más caliente, más rápido es el movimiento de las moléculas. Esto se puede lograr, por ejemplo, a través de la transferencia de calor desde una estufa, o más directamente con microondas que hacen que las moléculas de agua oscilen hacia adelante y hacia atrás cada vez más rápido en el paso con el campo electromagnético.
"Nuestra calefacción es fundamentalmente diferente", explicó Caleman. "Los rayos X energéticos sacan electrones de las moléculas de agua, destruyendo así el equilibrio de las cargas eléctricas. De repente, los átomos sienten una fuerte fuerza repulsiva y comienzan a moverse violentamente". En menos de 75 femtosegundos, es decir, 75 millonésimas de una milmillonésima de segundo, el agua atraviesa una transición de fase de líquido a plasma. Un plasma es un estado de la materia donde los electrones se han eliminado de los átomos, lo que lleva a una especie de gas con carga eléctrica.
"Pero mientras el agua se transforma de líquido a plasma, aún permanece en la densidad del agua líquida, ya que los átomos no tuvieron tiempo para moverse significativamente todavía", comentó en el mismo comunicado el coautor Olof Jönsson de la Universidad de Uppsala. Este exótico estado de la materia no es nada que se pueda encontrar naturalmente en la Tierra. "Tiene características similares a algunos plasmas en el sol y el gigante de gas Júpiter, pero tiene una densidad menor. Mientras tanto, es más caliente que el núcleo de la Tierra".
"El agua en realidad es un líquido extraño, y si no fuera por sus características peculiares, muchas cosas en la Tierra no serían como son, particularmente la vida", enfatizó Jönsson.
El experimento es fundamental para cualquier trabajo que involucre líquidos en láseres de rayos X y, eventualmente, entender mejor las propiedades del agua.
Los científicos explicaron que las mediciones practicamente no mostraron ningún cambio estructural en el agua hasta 25 femtosegundos después de que el pulso de rayos X comenzó a golpearlo. Pero a los 75 femtosegundos, los cambios ya eran evidentes. "El estudio nos da una mejor comprensión de lo que hacemos con diferentes muestras", explicó el coautor Nicusor Timneanu de la Universidad de Uppsala, uno de los científicos clave que desarrolló el modelo teórico utilizado. "Sus 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".