Explosión de Coulomb - Coulomb explosion

Animación de la explosión de Coulomb de un grupo de átomos ionizados por el campo láser. El nivel de tono del color es proporcional a la carga de los átomos (más grandes). Los electrones (más pequeños) en esta escala de tiempo se ven solo de forma estroboscópica y el nivel de tono es su energía cinética

Las explosiones culómbicas son un mecanismo para transformar energía en campos electromagnéticos intensos en movimiento atómico y, por lo tanto, son útiles para la destrucción controlada de moléculas relativamente robustas. Las explosiones son una técnica destacada en el mecanizado con láser y aparecen de forma natural en determinadas reacciones de alta energía.

Mecanismo

La repulsión Coulombic de partículas que tienen la misma carga eléctrica puede romper los enlaces que mantienen unidos a los sólidos. Cuando se hace con un rayo láser estrecho, una pequeña cantidad de sólido explota en un plasma de partículas atómicas ionizadas . Puede demostrarse que la explosión de Coulomb se produce en el mismo régimen de parámetros críticos que la transición de fase superradiante, es decir, cuando las interacciones desestabilizadoras se vuelven abrumadoras y dominan los movimientos de unión del grupo sólido de fonones oscilatorios nativos que también es característico de la síntesis de diamantes .

Con su baja masa, los electrones de valencia externos responsables del enlace químico se eliminan fácilmente de los átomos, dejándolos cargados positivamente. Dado un estado mutuamente repulsivo entre átomos cuyos enlaces químicos están rotos, el material explota en una pequeña nube de plasma de iones energéticos con velocidades más altas que las observadas en la emisión térmica.

Uso tecnológico

Una explosión de Coulomb es una alternativa "fría" a la técnica de grabado láser dominante de ablación térmica , que depende del calentamiento local, la fusión y la vaporización de moléculas y átomos utilizando rayos menos intensos. La brevedad del pulso hasta el régimen de nanosegundos es suficiente para localizar la ablación térmica; antes de que el calor se lleve lejos, la entrada de energía (pulso) ha terminado. No obstante, los materiales sometidos a ablación térmica pueden sellar los poros importantes en la catálisis o en el funcionamiento de la batería y recristalizar o incluso quemar el sustrato, cambiando así las propiedades físicas y químicas en el sitio de grabado. Por el contrario, incluso las espumas ligeras permanecen sin sellar después de la ablación por explosión de Coulomb.

Las explosiones de Coulomb para mecanizado industrial se realizan con pulsos láser ultracortos (picosegundos o femtosegundos). Las enormes intensidades de haz requeridas (umbrales de 10 a 400 teravatios por centímetro cuadrado, según el material) son solo prácticas de generar, dar forma y entregar durante breves instantes de tiempo. El grabado por explosión de Coulomb se puede utilizar en cualquier material para perforar orificios, eliminar capas superficiales y texturizar y microestructurar superficies; por ejemplo, para controlar la carga de tinta en prensas de impresión.

Apariencia en la naturaleza

Las imágenes de cámaras de alta velocidad de metales alcalinos que explotan en el agua han sugerido que la explosión es una explosión de culombio.

Durante una explosión nuclear basada en la fisión del uranio, se emiten 167 MeV en forma de explosión culómbica entre cada núcleo anterior de uranio, la energía electrostática repulsiva entre los dos núcleos hijos de fisión , se traduce en la energía cinética de los productos de fisión que resulta tanto en el impulsor principal de la radiación del cuerpo negro que genera rápidamente la formación de bola de fuego nuclear / plasma denso caliente y, por lo tanto, también en los efectos de explosión y térmicos posteriores.

Al menos un artículo científico sugiere que la explosión de culombio (específicamente, la repulsión electrostática de los grupos carboxilo disociados del ácido poliglutámico) puede ser parte de la acción explosiva de los nematocitos, las células que pican en los organismos acuáticos del filo Cnidaria .

Imágenes de explosión de Coulomb

Las moléculas se mantienen unidas por un equilibrio de carga entre electrones negativos y núcleos positivos. Cuando se expulsan varios electrones, ya sea por irradiación láser o bombardeo con iones muy cargados, los núcleos restantes, mutuamente repulsivos, se separan en una explosión de Coulomb. La estructura de moléculas simples en fase gaseosa se puede determinar siguiendo las trayectorias de los fragmentos.

Ver también

Referencias