Only Perception: 瞬間使水沸騰的方法

2014-03-10

瞬間使水沸騰的方法

Ultrafast heating of water: This pot boils faster than you can watch it
http://phys.org/news/2013-12-ultrafast-pot-faster.html

Dec 16, 2013

來自 Hamburg 自由電子雷射科學中心（Hamburg Center for Free-Electron Laser Science，CFEL）的科學家設計出一種新奇的加熱方式，能在兆分之一秒（trillionth of a second）內使水沸騰。這個理論性概念（尚未經過實際證明），能在 0.5 皮秒（1 皮秒等於一兆分之一秒）內將少量的水加熱到高達攝氏 600 度。這比俗語「一眨眼」還要快：如果1 皮秒等於 1 秒鐘，那麼 1 秒鐘就幾乎等於 3 萬 2 千年。這將使此技術成為地球上最快的水加熱方法。

如同發明者們在本週的科學期刊 Angewandte Chemie International Edition (Nr. 51, 16 December) 上所報告的，這種新概念為需要加熱化學或生物學相關樣本的實驗者開啟了一種有趣的新方法。"水在化學與生物學的過程中是一種最重要的介質，" DESY 科學家 Dr. Oriol Vendrell 表示，他來自 CFEL，那是 DESY、Hamburg 大學與 German Max Planck Society 的合作計畫。"水不只是一種被動溶劑（passive solvent），它在生物學與化學過程的動力學中，穩定某些化學成份以及使某些特定反應成為可能上，扮演一種重要的角色。"

只需密集的兆赫輻射閃光就能以超快速度加熱水。兆赫輻射（Terahertz radiation）由電磁波所構成，頻率介於無線電波與紅外線之間。兆赫閃光能用一種稱為自由電子雷射的裝置產生，那以明確的迴旋路線（ slalom course）送出加速電子。在每次轉彎中，粒子發出電磁波，那累加至一道如脈衝般的強烈雷射。兆赫脈衝在非常短暫的時間中改變水分子間交互作用的強度，那立即開始劇烈振動。

科學家計算兆赫閃光與大量水的交互作用。模擬在 Supercomputer Center Julich 進行，並在大規模平行運算中使用相當於 20 萬小時的處理器時間。在單顆處理器的電腦要花大約 20 年才能算完。"我們已算出，只要在半皮秒內就能將液體加熱到大約攝氏 600 度，得到一種瞬間變熱且無結構的環境，且仍維持液態的密度，使所有水分子完好如初，" Vendrell 解釋。

這種新奇方法只能一口氣加熱大約 1 奈升（nanolitre，十億分之一公升）。這聽起來也許不多，不過對絕大多的實驗來說已經足夠。相較下，噴墨印表機的微滴只有 1 皮升（picolitre，那比 1 奈升少一千倍。）

"此構想是要加熱「溶劑」，故許多分子同時開始所需要的化學過程，接著觀察反應演變，" Vendrell 解釋，他與共同作者 Pankaj Kr. Mishra 及 Prof. Robin Santra（全都屬於 CFEL）研究出這種超級加熱器。雖然這朵「迷你熱雲」不到 1 微秒（千分之一秒）就會飛離，不過其持續時間足以揭開熱反應中每一樣有趣的東西，例如結合小型有機分子以形成新物質。該團隊目前正在研究兆赫輻射的脈衝強度如何影響溶在水中的不同類型分子，從無機的到生物系統的。

反應過程能以超短 X 光閃光來探測，就像 3.4 公里長的 X 光自由電子雷射 European XFEL 所能產生的，那目前在 Hamburg 的 DESY 校園中與 Schenefeld 的鄰近市鎮之間興建。當完工時，European XFEL 每秒將能產生 27,000 道強烈 X 光雷射閃光，那可用來記錄化學反應的不同階段。

這種加熱方法的優勢之一是，兆赫脈衝能與 X 光閃光非常同步，使實驗開始進行，然後接著在明確的時間下探測反應。"兆赫脈衝所達到的瞬變（transient）與熱環境具有有趣的特性，如同一個研究已活化化學過程的母體（matrix），" Vendrell 說。"這將會是未來研究的主題。"

※ 相關報導：

＊ Ultrafast Energy Transfer to Liquid Water by Sub-Picosecond High-Intensity Terahertz Pulses: An Ab Initio Molecular Dynamics Study
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201305991/abstract

Pankaj Kr. Mishra, Dr. Oriol Vendrell, Prof. Dr. Robin Santra.
Angewandte Chemie International Edition
Volume 52, Issue 51, pages 13685–13687, December 16, 2013
doi: 10.1002/anie.201305991