歐洲XFEL是一個(gè)國(guó)際研究機(jī)構(gòu)，從漢堡的DESY站點(diǎn)延伸到與石勒蘇益格-荷爾斯泰因州相鄰的Schenefeld鎮(zhèn)，擁有世界上最強(qiáng)大的X射線(xiàn)激光。它每秒可產(chǎn)生27000次強(qiáng)烈的X射線(xiàn)閃光。在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了120次連續(xù)閃光。單次閃光的間隔不到百萬(wàn)分之一秒（精確到0.886微秒）?？茖W(xué)家將這些脈沖序列發(fā)送到一個(gè)充滿(mǎn)水的石英玻璃細(xì)管中，觀(guān)察水的反應(yīng)。

DESY的Felix Lehmkuhler說(shuō):“我們?cè)趩?wèn)自己：水在x射線(xiàn)激光中可以加熱多久？它能承受多強(qiáng)的能量？它是否仍然像水一樣？比如，它在高溫下還能作為冷卻劑使用嗎？” 對(duì)過(guò)熱水的詳細(xì)了解對(duì)于熱敏感性樣品的研究來(lái)說(shuō)也是至關(guān)重要的，比如聚合物或生物樣品。

“借助x射線(xiàn)閃光，我們能夠在萬(wàn)分之一秒內(nèi)將水加熱到172℃同時(shí)不使其蒸發(fā)，”Lehmkuhler說(shuō)道。這種沸騰延遲通常只能在大約110℃的溫度下觀(guān)察到?！暗@并不是唯一的異常特征，”這位物理學(xué)家強(qiáng)調(diào)說(shuō)?？茖W(xué)家們研究了漂浮在水中的硅納米球的運(yùn)動(dòng)，以此作為樣品動(dòng)力學(xué)的標(biāo)記?！霸跇O度過(guò)熱的水中，我們觀(guān)察到二氧化硅納米球的運(yùn)動(dòng)明顯偏離了預(yù)期的隨機(jī)布朗分子運(yùn)動(dòng)。這表明樣品加熱不均勻。”Lehmkuhler說(shuō)?，F(xiàn)有的理論模型還不能完全解釋這種行為，因?yàn)樗鼈儾皇菫檫@些極端條件下的水而設(shè)計(jì)的。

由于采用了歐洲XFEL的快速閃光序列，研究人員能夠非常詳細(xì)地觀(guān)察這一過(guò)程。“歐洲XFEL的獨(dú)特之處在于它的高重復(fù)頻率，也就是每秒的高脈沖數(shù)，”歐洲XFEL SPB/SFX儀器的負(fù)責(zé)人Adrian Mancuso解釋說(shuō)，“為了讓這些實(shí)驗(yàn)成為可能，我們已經(jīng)準(zhǔn)備好了所有的儀器，比如快速照相機(jī)、診斷儀器等等。”例如，由DESY領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的自適應(yīng)增益積分像素檢測(cè)器(AGIPD)可以在僅220億分之一秒(納秒)的間隔內(nèi)拍攝大約350幅連續(xù)圖像。

這種裝置不僅能產(chǎn)生過(guò)熱的水，而且還能使科學(xué)家們用稍低強(qiáng)度的x射線(xiàn)閃光進(jìn)行精確控制的一系列實(shí)驗(yàn)。Lehmkuhler表示:“使用硅過(guò)濾器，我們可以微調(diào)脈沖能量，這樣我們就能夠精確控制水加熱的程度。例如，我們能夠確定x射線(xiàn)閃光的強(qiáng)度，使得水樣的溫度大概保持恒定。”

這使研究人員能夠更好地計(jì)劃在x射線(xiàn)激光下對(duì)熱敏性樣品進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。另一方面，如果知道熱效應(yīng)的確切過(guò)程，也可以有針對(duì)性地使用熱效應(yīng)。該小組還計(jì)劃在分子水科學(xué)中心(CMWS)的框架內(nèi)進(jìn)一步研究這些效應(yīng)，該中心目前正在DESY建立。

DESY的首席研究員，也是CMWS協(xié)調(diào)員之一的Gerhard Grubel總結(jié)道：“我們的結(jié)果不僅提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)異常的令人詫異的觀(guān)察結(jié)果，而且繪制了水如何在x射線(xiàn)激光中被加熱的詳細(xì)圖片。此外，這個(gè)研究證明，歐洲XFEL出現(xiàn)這樣的連續(xù)圖像是有可能的，并且在每個(gè)脈沖序列中其閃光都非常均勻?！?/span>