Pemanas air super cepat: Panci yang mendidihkan air sekejap mata

Para ilmuwan dari Hamburg Center for Free-Electron Laser Science telah menemukan cara baru mendidihkan air dalam waktu kurang dari sepertriliun detik. Konsep teoritis, yang belum teruji dalam praktek, bisa memanaskan sejumlah kecil air sebanyak 600 derajat Celcius hanya dalam waktu setengah picosecond (sepertriliun detik). Itu seperti ungkapan sekedipan mata: satu picosecond adalah diibaratkan satu detik yang dibandingkan dengan hampir 32 ribu tahun. Ini akan menjadi teknik metode pemanas air tercepat di muka bumi.

Konsep baru ini membuka cara-cara baru yang menarik bagi eksperimen dengan relevansi pada sampel yang dipanaskan secara kimiawi atau biologis, seperti yang dilaporkan penemunya dalam edisi minggu ini dari jurnal ilmiah Angewandte Chemie - International Edition (Nr. 51, ​​16 Desember). "Air adalah satu-satunya media yang paling penting di mana proses kimia dan biologi berlangsung," jelas ilmuwan DESY Dr Oriol Vendrell dari Center for Free-Electron Laser Science CFEL, kerjasama dari DESY, University of Hamburg dan Jerman Max Planck Society. "Air tidak sekedar pelarut pasif, tapi memainkan peran penting dalam dinamika proses biologi dan kimia dengan menstabilkan senyawa kimia tertentu dan memungkinkan reaksi tertentu."

Yang dibutuhkan untuk memanaskan air supercepat adalah kilasan cahaya terkonsentrasi dari radiasi Terahertz. Radiasi Terahertz terdiri dari gelombang elektromagnetik dengan frekuensi antara gelombang radio dan gelombang inframerah. Kilasan terahertz dapat dihasilkan dengan perangkat yang disebut laser elektron bebas yang mengirimkan elektron dipercepat pada arah slalom yang didefinisikan dengan baik. Partikel-partikelnya memancarkan gelombang elektromagnetik di setiap tikungan yang menambahkan intensitas laser seperti pulsa. Pulsa terahertz ini kemudian mengubah kekuatan dari interaksi antara molekul-molekul air dalam waktu yang sangat singkat, yang segera mulai bergetar keras.

Para ilmuwan menghitung interaksi kilasan Terahertz dengan air. Simulasi dilakukan pada Supercomputer Center Jülich dan menggunakan total 200.000 jam waktu prosesor dengan komputasi paralel besar. Pada mesin prosesor tunggal, ini akan sesuai dengan sekitar 20 tahun perhitungan. "Kami telah menghitung bahwa itu seharusnya mungkin memanaskan cairan sampai sekitar 600 derajat Celsius hanya dalam setengah picosecond, mendapatkan panas temporer dan lingkungan tanpa struktur masih pada densitas cairan, membiarkan semua molekul air utuh," jelas Vendrell.

Metode baru ini hanya bisa memanaskan sekitar satu nanoliter (sepermilyar liter) dalam sekali jalan. Ini mungkin kedengarannya kecil, tapi cukup besar bagi sebagian besar percobaan. Sebagai perbandingan, printer ink-jet menembakkan tetesan yang kecilnya satu picoliter, yang seribu kali lebih kecil dari nanoliter.

"Idenya adalah memanaskan 'pelarut' sehingga banyak molekul memulai proses kimia yang diinginkan pada waktu yang sama dan kemudian mengamati reaksi yang berkembang," jelas Vendrell, yang mengerjakan pemanas super dengan penulisnya Pankaj Kr. Mishra dan Prof Robin Santra, juga dari CFEL. Meskipun awan panas mini akan terbang dalam waktu kurang dari satu milidetik (seperseribu detik), itu berlangsung cukup lama untuk mengungkap segala hal yang menarik pada reaksi panas seperti kombinasi molekul organik kecil yang membentuk zat baru. Tim saat ini menyelidiki bagaimana  pulsa intens radiasi terahertz mempengaruhi jenis-jenis berbeda dari molekul yang larut dalam air, dari anorganik ke sistem biologi.

Perkembangan reaksi dapat diperiksa dengan kilasan sinar-X ultrashort seperti yang mereka akan produksi dengan laser elektron bebas X-ray XFEL Eropa sepanjang 3,4 kilometer, yang saat ini sedang dibangun antara kampus DESY di Hamburg dan kota tetangga Schenefeld. Bila selesai, XFEL Eropa akan mampu menghasilkan 27.000 kedipan sinar laser X-ray intens per detik, yang dapat misalnya digunakan untuk merekam berbagai tahap reaksi kimia.

Salah satu keuntungan dari metode pemanasan ini adalah bahwa pulsa terahertz bisa sangat baik disinkronkan dengan kilasan X-ray untuk memulai percobaan dan kemudian menyelidiki reaksinya setelah waktu yang ditentukan. "Lingkungan sementara dan panas yang dicapai pulsa terahertz bisa memiliki sifat menarik, seperti sebuah matriks untuk mempelajari proses kimia aktif," kata Vendrell. "Ini akan menjadi subjek penyelidikan lebih lanjut."

sumber