Wie man Wasser in einer halben Pikosekunde um 600 Grad Celsius erhitzt

1. Jänner 2014, 16:46
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Deutsche Wissenschafter erhoffen sich von neuem Verfahren vielseitige Anwendungsmöglichkeiten

Hamburg - Deutsche Forscher haben eine Methode entwickelt, um Wasser in weniger als einer billionstel Sekunde zum Kochen zu bringen. Das Verfahren, das bislang noch nicht in die Praxis umgesetzt worden ist, kann eine kleine Menge Wasser in nur einer halben Pikosekunde um 600 Grad Celsius erhitzen. Sollte sich die Methode in der Praxis umsetzen lassen, wäre zweifellos der schnellste Wasserkocher der Welt geboren.

Das theoretische Konzept eröffnee vielversprechende neue Experimentiermöglichkeiten mit erhitzten chemisch oder biologisch relevanten Proben, wie die Forscher des Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) im Fachblatt "Angewandte Chemie" berichten. "Wasser ist das bedeutendste Medium, in dem chemische und biologische Prozesse stattfinden", erklärt Oriol Vendrell. "Damit ist es nicht nur ein passives Lösungsmittel, sondern spielt eine wichtige Rolle für die Dynamik vieler biologischer und chemischer Prozesse, indem es etwa bestimmte chemische Verbindungen stabilisiert und manche Reaktionen überhaupt erst ermöglicht."

Terahertz-Blitze

Herzstück des neuen Konzepts ist ein konzentrierter Blitz sogenannter Terahertz-Strahlung. Terahertz-Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz zwischen den Radiowellen und der Infrarotstrahlung. Terahertz-Blitze lassen sich unter anderem mit Lasern erzeugen, die schnelle Elektronen auf einen genau definierten Slalomkurs schicken. In jeder Kurve senden die Teilchen Strahlungsblitze aus, die sich zu einem intensiven, laserartigen Puls addieren. Der Terahertz-Blitz bringt die Wassermoleküle unmittelbar heftig zum Vibrieren und löst die Wasserstoffbrückenbindungen, über die Wassermoleküle im flüssigen Zustand verbunden sind.

Die Wissenschafter haben nun die Wechselwirkung des Terahertz-Blitzes mit dem Wasser berechnet. "Wir kommen zu dem Ergebnis, dass es möglich sein sollte, die Flüssigkeit in nur einer halben Pikosekunde auf rund 600 Grad Celsius zu erhitzen, und damit eine kurzlebige heiße und strukturlose Umgebung mit der Dichte der Flüssigkeit zu erschaffen, wobei die einzelnen Wassermoleküle intakt bleiben", erläutert Vendrell.

Gezielte Untersuchung chemischer Prozesse

Mit der neuen Methode lässt sich aber lediglich etwa ein Nanoliter (ein milliardstel Liter) auf einmal erhitzen. Das sei nicht viel, aber genug für die meisten Experimente, so Vendrell. Zum Vergleich: Moderne Tintenstrahldrucker verspritzen Tröpfchen von einem Pikoliter, das ist noch tausendmal weniger als ein Nanoliter.

"Unser Plan ist, das 'Lösungsmittel' zu erhitzen, damit viele Moleküle den gewünschten chemischen Prozess zur selben Zeit starten, und man dann die Entwicklung der Reaktion verfolgen kann", berichtet der Forscher. Man untersuche gegenwärtig, wie der Terahertz-Blitz auf verschiedene im Wasser gelöste Molekülarten wirke, von inorganischen bis zu biologischen.

Aufzeichnung mittels Röntgenblitzen

Die verschiedenen Stufen der Reaktion ließen sich etwa mit ultrakurzen Röntgenblitzen verfolgen, wie sie der 3,4 Kilometer lange Röntgenlaser European XFEL erzeugen soll, der derzeit zwischen dem Hamburger DESY-Campus und der benachbarten Stadt Schenefeld in Schleswig-Holstein gebaut wird. Der European XFEL soll nach seiner Fertigstellung in der Lage sein, 27.000 Röntgenblitze pro Sekunde zu erzeugen, um damit beispielsweise den Ablauf einer chemischen Reaktion aufzuzeichnen.

Ein Vorteil der neuen Erhitzungsmethode sei dabei, dass sich der Terahertz-Blitz sehr genau mit dem Röntgenpuls synchronisieren lasse. So könne das Experiment gezielt gestartet und der Zustand nach einer genau definierten Zeit beobachtet werden. "Die kurzlebige und heiße Umgebung, die der Terahertz-Puls erzeugt, dürfte interessante Eigenschaften haben, etwa als Matrix zur Untersuchung gezielt aktivierter chemischer Prozesse", glaubt Vendrell. (red, derStandard.at, 1.1.2014)

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