Umíme nafotit, jak voda taje nebo mrzne v reálném čase, říká ředitelka německého laserového centra

Jak přesně vaše technologie funguje?

Nabízíme velmi jasné pulzy rentgenového záření. Jsou velmi krátké – femtosekunda, to je deset na mínus patnáctou sekundy. Pulz si můžeme představit jako čas expozice, rychlost závěrky na fotoaparátu.

Čtěte také

Chutná sladce a stojí majlant. Těžká voda se chemicky neliší od běžné vody. Čím je výjimečná?

Aby snímek nebyl rozmazaný?

Například když chcete ostře vyfotografovat sportovce, běžce na sto metrů, fotografujete na milisekundu. Kdybyste chtěli ostrý obrázek střely, jak zasáhne jablko, potřebujete čas závěrky v mikrosekundách. A když chcete spatřit atomy, které se pohybují v molekule, vibrují nebo se otáčejí, tak aby nebyly rozmazané, musíte fotografovat ve femtosekundách. A to my dokážeme. Můžeme pořídit spoustu snímků za sebou a udělat z nich pohyblivý záběr velmi rychlých procesů.

Jedna z látek, kterou takto zkoumáte, je i obyčejná voda. Proč?

Ale voda je nesmírně důležitá, z mnoha důvodů. Je všude – máme ji v těle, je v atmosféře, v oblacích.... A nás vědce, fyziky, zajímá, protože má spoustu anomálií. Není to obyčejná kapalina. Mnoho z nich dosud nechápeme a s pomocí rentgenových laserů chceme o něco lépe porozumět tomu, proč se tak chová.

Ilustrace molekul H2O na povrchu Měsíce. Sonda NASA SOFIA potvrdila v roce 2020 existenci vody na povrchu Měsíce osvětleném Sluncem|foto:NASA

Co je to například za anomálie?

Jednou z nejznámějších je to, že má maximum hustoty kolem 4 °C. Když ji zahřejete nebo ochladíte, přejde do nižší hustoty – a proto led plave. Důležité je ale pochopit proč. Pomocí rentgenových pulzů můžeme prozkoumat všechna skupenství vody: vodní páru, beztvarou neboli skelnou vodu, kapalnou vodu a vodní led. I ten má hodně forem.

Pořád je tam co objevovat?

Ano, stavy vody a její struktura v malém měřítku, o tom se stále debatuje. Chtěli bychom dosáhnout podmínek, kdy je voda velmi studená, ale ještě netuhne. To se stane, když ji prudce zchladíme, a přitom rychle měříme. Na diagramu tomu říkáme země nikoho, protože takových podmínek ještě nikdo nedosáhl.

Proč vás právě tohle zajímá?

Vodu nacházíme i na jiných planetách. Na tom, jestli obsahují vodu, závisí, jestli jsou obyvatelné. Jenže voda je i na kometách a dalších vesmírných tělesech. Proto zkoumáme, co se s vodou děje při velmi vysokém tlaku, vysokých teplotách. Pořizujeme videoklipy dlouhé jen mikrosekundy nebo milisekundy. Našli jsme v nich nová skupenství vody, která závisejí na tom, jak rychle se mění tlak.

Čtěte také

Magazín Experiment ŽIVĚ z laserového centra Eli Beamlines: Co dokáže nejsilnější laserový paprsek na světě?

Takže vidíte skutečně krok za krokem, co ty molekuly dělají?

V reálném čase. V jiném experimentu zase lijeme vodu na velmi chladný povrch tak, aby okamžitě zmrzla na led. Ale protože jsme velmi rychlí, vidíme ten proces postupně. Když vodu zchladíte dostatečně rychle, bude mít neuspořádanou strukturu, protože atomy nemají čas se uspořádat do dokonalých krystalů.

To se tedy děje, když třeba prší na zmrzlou zem?

Ano, přesně tak. Podobný příklad je, když vystřelíme laserem do ledu. V tom místě okamžitě roztaje, ale okamžitě tu znamená pikosekundy. Můžeme sledovat proces, jak taje a znovu zmrzne.

Podrobné snímky pomáhají vysvětlit, co se děje v oblacích při různém počasí a na různých planetách. Anebo třeba co se děje v lidském těle, když dostane dávku rentgenového záření.