世界最速の「湯沸かし器」は、0.000000000000075秒で水をプラズマに変える - 産経ニュース

世界最速の「湯沸かし器」は、0.000000000000075秒で水をプラズマに変える

 スウェーデンの研究者チームが、水をわずか0.000000000000075秒で10万℃に加熱することに成功した。X線レーザーを用いた一瞬の加熱によって、水が液体から一気にプラズマへと相転移したという。本来なら地球上では見られないはずの奇妙な現象を通じて、研究者たちは水の性質を解き明かし、生命の神秘へと迫ることができるのか。
SLAC国立加速器研究所にあるLCLS(Linac Coherent Light Source:線形加速器コヒーレント光源)。PHOTOGRAPH COURTESY OF SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY
0.000000000000075秒--。これが電光石火のスピードで、水が環境温度から10万℃に達するのにかかったの時間だ。
すべてはX線レーザーの新しい装置のおかげである。この驚異的な企てに成功したのは、自由電子レーザー科学研究所とウプサラ大学のスウェーデン人研究者たちだ。彼らは非常に強力なX線レーザーを用いて、まさに0.1ピコ秒以下で水を環境温度から10万℃まで加熱したと、『米国科学アカデミー紀要(PNAS)』で発表している。彼らは「世界最速の湯沸かし器」と定義できるような装置を開発したのである。
実験において研究者チームは、X線自由電子レーザーを用いた。アメリカのSLAC国立加速器研究所にあるLCLS(Linac Coherent Light Source:線形加速器コヒーレント光源)と呼ばれるレーザーだ。このレーザーを用いることで、非常に強力で波長の短いX線を噴水に投射することに成功した。
「普通の方法ではありません」と、論文の著者であるカール・ケールマンはおどけながら話す。「通常は水を熱すると、単純に分子がより強く振動するようになるだけです」。実際に分子レヴェルでは、熱とは運動のことを意味する。熱くなればなるほど、分子の運動はより速くなる。
水が瞬時に「第4の状態」に変化
しかし、この研究における水の加熱方法は大きく異なっていた。「X線は水分子の電子を一掃して、電荷のバランスを壊しました」と彼は言う。「従って突然、原子は強力な斥力を受け、結果として高速で動き始めたのです」
これによって75フェムト秒、つまり1,000兆分の75秒、0.000000000000075秒で、水が液体の状態からプラズマ(イオン化したガス)の状態に移行する相転移が起きたのだ。これは固体・液体・気体に続く物質の第4の状態で、著しく多量の電子がそれぞれの原子から取り除かれているものを指す。
「水が液体からプラズマに変化する一方で、密度は液体の水と同じままです。原子が大きく動く時間がなかったためです」と、論文の共著者であるウロフ・ヨンソンはコメントする。
なお、この物質のエキゾチックな(通常の状態から外れた奇妙な)状態は、地球上では見られないものだと研究者たちは強調する。「太陽や木星のプラズマと似た特徴をもっていますが、密度はもっと低いんです。そして温度は地球の核よりもずっと熱い」
この実験によって科学者たちは、水のこのエキゾチックな状態の研究をさらに深め、 すべての生命体の基礎となっているこの化合物の密度、熱容量、熱伝導性のような一般的性質についてさらに解明したいと考えている。
「水とは本当に奇妙な液体です。もし水にこうした特殊な性質がなければ、地球上の多くのものはいまのように存在していなかったかもしれません。特に生命はそうでしょう」