Sonoluminiscencia - Sonoluminescence

Sonoluminiscencia de burbuja única: una única burbuja cavitada.

La sonoluminiscencia es la emisión de luz de las burbujas que implosionan en un líquido cuando se excitan con el sonido.

Historia

El efecto de sonoluminiscencia se descubrió por primera vez en la Universidad de Colonia en 1934 como resultado del trabajo en el sonar . Hermann Frenzel y H. Schultes pusieron un transductor de ultrasonido en un tanque de líquido revelador fotográfico . Esperaban acelerar el proceso de desarrollo. En cambio, notaron pequeños puntos en la película después del revelado y se dieron cuenta de que las burbujas en el fluido emitían luz con el ultrasonido encendido. Fue demasiado difícil analizar el efecto en los primeros experimentos debido al complejo entorno de una gran cantidad de burbujas de corta duración. Este fenómeno se conoce ahora como sonoluminiscencia de burbujas múltiples (MBSL).

En 1960, Peter Jarman, del Imperial College de Londres, propuso la teoría más fiable del fenómeno de la sonoluminiscencia. Llegó a la conclusión de que la sonoluminiscencia es básicamente de origen térmico y que posiblemente podría deberse a microshocks con cavidades colapsadas.

En 1989 se introdujo un avance experimental que produjo sonoluminiscencia estable de burbuja única (SBSL). En la sonoluminiscencia de una sola burbuja, una sola burbuja atrapada en una onda estacionaria acústica emite un pulso de luz con cada compresión de la burbuja dentro de la onda estacionaria . Esta técnica permitió un estudio más sistemático del fenómeno, porque aisló los efectos complejos en una burbuja estable y predecible. Se descubrió que la temperatura dentro de la burbuja era lo suficientemente alta como para derretir el acero , como se vio en un experimento realizado en 2012; la temperatura dentro de la burbuja cuando se derrumbó alcanzó unos 12.000 kelvin . El interés por la sonoluminiscencia se renovó cuando se postuló una temperatura interna de dicha burbuja muy por encima de un millón de kelvin . Hasta ahora, esta temperatura no ha sido probada de manera concluyente; más bien, experimentos recientes indican temperaturas de alrededor de 20.000 K (19.700 ° C; 35.500 ° F).

Propiedades

Imagen de larga exposición de sonoluminiscencia de burbujas múltiples creada por un cuerno ultrasónico de alta intensidad sumergido en un vaso de precipitados de líquido

La sonoluminiscencia puede ocurrir cuando una onda de sonido de suficiente intensidad induce a una cavidad gaseosa dentro de un líquido a colapsar rápidamente. Esta cavidad puede tomar la forma de una burbuja preexistente o puede generarse mediante un proceso conocido como cavitación . Se puede hacer que la sonoluminiscencia en el laboratorio sea estable, de modo que una sola burbuja se expanda y colapse una y otra vez de manera periódica, emitiendo un estallido de luz cada vez que colapsa. Para que esto suceda, se establece una onda acústica estacionaria dentro de un líquido, y la burbuja se asentará en un anti-nodo de presión de la onda estacionaria. Las frecuencias de resonancia dependen de la forma y el tamaño del recipiente en el que está contenida la burbuja.

Algunos datos sobre la sonoluminiscencia:

  • La luz que destella de las burbujas dura entre 35 y algunos cientos de picosegundos , con intensidades máximas del orden de 1–10  mW .
  • Las burbujas son muy pequeñas cuando emiten la luz (alrededor de 1 micrómetro de diámetro) dependiendo del fluido ambiental (p. Ej., Agua) y el contenido de gas de la burbuja (p. Ej., Aire atmosférico ).
  • Los pulsos de sonoluminiscencia de una sola burbuja pueden tener períodos y posiciones muy estables. De hecho, la frecuencia de los destellos de luz puede ser más estable que la estabilidad de frecuencia nominal del oscilador que genera las ondas sonoras que los impulsan. Sin embargo, los análisis de estabilidad de la burbuja muestran que la propia burbuja sufre importantes inestabilidades geométricas, debido, por ejemplo, a las fuerzas de Bjerknes y las inestabilidades de Rayleigh-Taylor .
  • La adición de una pequeña cantidad de gas noble (como helio , argón o xenón ) al gas de la burbuja aumenta la intensidad de la luz emitida.

Las mediciones espectrales han dado temperaturas de burbuja en el rango de 2300 K hasta5100 K , las temperaturas exactas dependen de las condiciones experimentales, incluida la composición del líquido y el gas. La detección de burbujas muy altas por métodos espectrales está limitada debido a la opacidad de los líquidos a la luz de longitud de onda corta característica de temperaturas muy altas.

Un estudio describe un método para determinar temperaturas basado en la formación de plasmas . Usando burbujas de argón en ácido sulfúrico , los datos muestran la presencia de oxígeno molecular ionizado O 2 + , monóxido de azufre y argón atómico que puebla estados excitados de alta energía, lo que confirma la hipótesis de que las burbujas tienen un núcleo de plasma caliente. La energía de ionización y excitación de los cationes dioxigenilo , que observaron, es de 18 electronvoltios . A partir de esto, concluyen que las temperaturas centrales alcanzan al menos 20.000 kelvin, más calientes que la superficie del sol .

Ecuación de Rayleigh-Plesset

La dinámica del movimiento de la burbuja se caracteriza en una primera aproximación por la ecuación de Rayleigh-Plesset (llamada así por Lord Rayleigh y Milton Plesset ):

Ésta es una ecuación aproximada que se deriva de las ecuaciones de Navier-Stokes (escritas en un sistema de coordenadas esféricas ) y describe el movimiento del radio de la burbuja R en función del tiempo t . Aquí, μ es la viscosidad , p la presión y γ la tensión superficial . Los sobrepuntos representan derivadas del tiempo. Se ha demostrado que esta ecuación, aunque aproximada, proporciona buenas estimaciones sobre el movimiento de la burbuja bajo el campo impulsado acústicamente , excepto durante las etapas finales del colapso. Tanto la simulación como la medición experimental muestran que durante las etapas finales críticas del colapso, la velocidad de la pared de la burbuja excede la velocidad del sonido del gas dentro de la burbuja. Por lo tanto, se necesita un análisis más detallado del movimiento de la burbuja más allá de Rayleigh-Plesset para explorar el enfoque de energía adicional que podría producir una onda de choque formada internamente.

Mecanismo del fenómeno

Se desconoce el mecanismo del fenómeno de la sonoluminiscencia. Las hipótesis incluyen: hotspot, radiación bremsstrahlung , radiación inducida por colisión y descargas de corona , luz no clásica , tunelización de protones , chorros electrodinámicos y chorros fractoluminiscentes (ahora desacreditados en gran medida debido a pruebas experimentales contrarias).

De izquierda a derecha: aparición de burbujas, expansión lenta, contracción rápida y repentina, emisión de luz.

En 2002, M. Brenner, S. Hilgenfeldt y D. Lohse publicaron una revisión de 60 páginas que contiene una explicación detallada del mecanismo. Un factor importante es que la burbuja contiene principalmente gas noble inerte, como argón o xenón (el aire contiene aproximadamente un 1% de argón y la cantidad disuelta en agua es demasiado grande; para que se produzca la sonoluminiscencia, la concentración debe reducirse al 20-40% de su valor de equilibrio) y cantidades variables de vapor de agua . Las reacciones químicas hacen que el nitrógeno y el oxígeno se eliminen de la burbuja después de unos cien ciclos de expansión-colapso. Entonces, la burbuja comenzará a emitir luz. La emisión de luz de gas noble altamente comprimido se explota tecnológicamente en los dispositivos de flash de argón .

Durante el colapso de la burbuja, la inercia del agua circundante provoca alta presión y alta temperatura, alcanzando alrededor de 10.000 kelvin en el interior de la burbuja, provocando la ionización de una pequeña fracción del gas noble presente. La cantidad ionizada es lo suficientemente pequeña como para que la burbuja permanezca transparente, lo que permite la emisión de volumen; la emisión superficial produciría una luz más intensa de mayor duración, dependiendo de la longitud de onda , lo que contradice los resultados experimentales. Los electrones de los átomos ionizados interactúan principalmente con los átomos neutros, provocando una radiación térmica bremsstrahlung. Cuando la onda golpea un valle de baja energía, la presión cae, lo que permite que los electrones se recombinen con los átomos y cese la emisión de luz debido a esta falta de electrones libres. Esto genera un pulso de luz de 160 picosegundos para el argón (incluso una pequeña caída de temperatura provoca una gran caída de la ionización, debido a la gran energía de ionización en relación con la energía de los fotones). Esta descripción se simplifica de la literatura anterior, que detalla varios pasos de diferente duración desde 15 microsegundos (expansión) a 100 picosegundos (emisión).

Los cálculos basados ​​en la teoría presentada en la revisión producen parámetros de radiación (intensidad y tiempo de duración versus longitud de onda) que coinciden con los resultados experimentales con errores no mayores de lo esperado debido a algunas simplificaciones (por ejemplo, asumiendo una temperatura uniforme en toda la burbuja), por lo que parece el fenómeno de la sonoluminiscencia se explica al menos de manera aproximada, aunque algunos detalles del proceso siguen siendo oscuros.

Cualquier discusión sobre la sonoluminiscencia debe incluir un análisis detallado de la metaestabilidad. La sonoluminiscencia a este respecto es lo que se denomina físicamente un fenómeno acotado, lo que significa que la sonoluminiscencia existe en una región acotada del espacio de parámetros de la burbuja; un campo magnético acoplado es uno de esos parámetros. Los aspectos magnéticos de la sonoluminiscencia están muy bien documentados.

Otras propuestas

Explicaciones cuánticas

Una hipótesis inusualmente exótica de la sonoluminiscencia, que ha recibido mucha atención popular, es la hipótesis de la energía de Casimir sugerida por el destacado físico Julian Schwinger y considerada más a fondo en un artículo de Claudia Eberlein de la Universidad de Sussex . El artículo de Eberlein sugiere que la luz en sonoluminiscencia es generada por el vacío dentro de la burbuja en un proceso similar a la radiación de Hawking , la radiación generada en el horizonte de sucesos de los agujeros negros . De acuerdo con esta explicación de la energía del vacío, dado que la teoría cuántica sostiene que el vacío contiene partículas virtuales , la interfaz que se mueve rápidamente entre el agua y el gas convierte los fotones virtuales en fotones reales. Esto está relacionado con el efecto Unruh o el efecto Casimir . Se ha argumentado que la sonoluminiscencia libera una cantidad demasiado grande de energía y libera la energía en una escala de tiempo demasiado corta para ser consistente con la explicación de la energía del vacío, aunque otras fuentes creíbles argumentan que la explicación de la energía del vacío podría resultar correcta.

Reacciones nucleares

Algunos han argumentado que la ecuación de Rayleigh-Plesset descrita anteriormente no es confiable para predecir las temperaturas de las burbujas y que las temperaturas reales en los sistemas sonoluminiscentes pueden ser mucho más altas que 20.000 kelvin. Algunas investigaciones afirman haber medido temperaturas de hasta 100.000 kelvins, y especula que las temperaturas podrían alcanzar los millones de kelvins. Temperaturas tan altas podrían causar fusión termonuclear . Esta posibilidad a veces se denomina fusión de burbujas y se compara con el diseño de implosión utilizado en el componente de fusión de las armas termonucleares .

El 27 de enero de 2006, investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer afirmaron haber producido fusión en experimentos de sonoluminiscencia.

Los experimentos realizados en 2002 y 2005 por RP Taleyarkhan utilizando acetona deuterada mostraron mediciones de la salida de tritio y neutrones compatibles con la fusión. Sin embargo, los artículos se consideraron de baja calidad y hubo dudas en un informe sobre la mala conducta científica del autor. Esto hizo que el informe perdiera credibilidad entre la comunidad científica.

Sonoluminiscencia biológica

Los camarones pistola (también llamados camarones mordedores ) producen un tipo de luminiscencia de cavitación a partir de una burbuja que colapsa causada por romper rápidamente su garra. El animal cierra una garra especializada para crear una burbuja de cavitación que genera presiones acústicas de hasta 80 kPa a una distancia de 4 cm de la garra. A medida que se extiende desde la garra, la burbuja alcanza velocidades de 60 millas por hora (97 km / h) y emite un sonido que alcanza los 218 decibeles. La presión es lo suficientemente fuerte como para matar peces pequeños. La luz producida es de menor intensidad que la luz producida por la sonoluminiscencia típica y no es visible a simple vista. La luz y el calor producidos pueden no tener un significado directo, ya que es la onda de choque producida por la burbuja que colapsa rápidamente y que estos camarones usan para aturdir o matar a sus presas. Sin embargo, es el primer caso conocido de un animal que produce luz por este efecto y fue caprichosamente apodado "poluminiscencia de camarón" tras su descubrimiento en 2001. Posteriormente se descubrió que otro grupo de crustáceos, el camarón mantis , contiene especies cuyo las extremidades anteriores pueden golpear tan rápidamente y con tal fuerza que induzcan burbujas de cavitación sonoluminiscentes en el momento del impacto. También se informó que un dispositivo mecánico con una garra de pargo impresa en 3D a cinco veces el tamaño real emitía luz de manera similar, este diseño bioinspirado se basó en la muda de la garra de pargo de camarón que se rompe de un Alpheus formosus , el camarón rayado.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos