Sonoluminescencia

Sonoluminescencia dunha burbulla de cavitación.

A sonoluminescencia é un fenómeno físico no cal as burbullas contidas nun líquido emiten breves pulsos de luz ao colapsar. Este proceso iníciase cando as burbullas son excitadas por ondas sonoras de alta frecuencia (ultrasóns). Estas ondas sonoras, que son un tipo de onda mecánica, propagan enerxía a través do líquido, facendo que as burbullas primeiro medren e logo implosionen de forma abrupta. O colapso rápido das burbullas xera pulsos de luz que duran menos de 50 picosegundos. Este fenómeno ocorre debido á conversión da enerxía acústica (enerxía mecánica das ondas sonoras) en enerxía luminosa.

Varios factores experimentais poden influenciar altamente o fenómeno. A composición e a presión do gas dentro das burbullas afectan a intensidade da luz emitida, con gases nobres como o xenon e o argon producindo resultados máis brillantes. Ademais, a temperatura do líquido pode modificar a estabilidade das burbullas, sendo que temperaturas máis baixas xeralmente aumentan o rendemento luminoso. Finalmente, a frecuencia e a amplitude das ondas sonoras determinan o tamaño e a duración da implosión da burbulla, optimizando a emisión de luz cando son axustadas correctamente.

A sonoluminescencia está sendo investigada por científicos de varios campos, incluíndo a física, a enxeñaría e a bioloxía, contribuíndo á comprensión fundamental deste fenómeno e ao desenvolvemento de novas tecnoloxías e aplicacións prácticas.

Etimoloxía

A palabra combina o prefixo "sono-", do latín sonus que significa son, co termo "luminescencia", que se refire á emisión de luz que non é causada directamente por calor. Este uso está en concordancia coa formación de termos técnicos e científicos, onde prefixos como "sono-" se usan para indicar a relación co son, como en "sonografía" (uso médico de ondas sonoras para crear unha imaxe).

Investigación

Vídeo a cámara lenta da creación da sonoluminiscencia.

O fenómeno da sonoluminescencia observouse por primeira vez en 1934 na Universidade de Colonia, como resultado de estudar o sonar ou localizador eléctrico subacuático. H. Frenzel e H. Schultes colocaron un transdutor ultrasónico no líquido de revelado fotográfico, coa intención de acelerar o proceso. Observaron a aparición de burbullas na imaxe, que non puideron explicar. Hoxe sábese que foi un fenómeno de sonoluminiscencia de varias burbullas.

En 1989 Felipe Gaitan e Lawrence Crum obtiveron sonoluminiscencia cunha soa burbulla de cavitación, o que supuxo un grande avance, e publicaron o achado nun artigo de 1992. Puideron capturar unha burbulla cunha onda estacionaria sónica, polo que atoparon unha mellor forma de producir o fenómeno. Observaron que a temperatura interna desa burbulla é suficiente para fundir o aceiro. Experimentos recentes demostraron que esta temperatura ronda os 20.000 K.

Mecánica de fluídos

A dinámica do movemento da burbulla está determinada pola primeira aproximación da fórmula de Rayleigh-Plesset:

$R{\ddot {R}}+{\frac {3}{2}}{\dot {R}}={\frac {1}{\rho }}\left(p_{g}-P_{0}-P(t)-4\eta {\frac {\dot {R}}{R}}-{\frac {2\gamma }{R}}\right)$ ,

onde t é o tempo, p é a presión, η é a viscosidade e γ é a tensión superficial.

Esta é unha aproximación da fórmula derivada das fórmulas de Navier–Stokes (que determinan o movemento dos fluídos viscosos, obtidas aplicando a segunda lei de Newton aos fluídos) e describe o movemento do raio R en función do tempo t.

A ecuación, aínda que é aproximada, fai suposicións excelentes sobre como colapsará a burbulla baixo a influencia das ondas sonoras.

Propiedades

No experimento, un pequeno recipiente de vidro esférico cheo de auga resoa cunha onda sonora harmónica de 20 kHz, que se orixina nun altofalante. A continuación, unha burbulla de aire moi pequena é soprada no centro da botella de vidro esférica. Cando a burbulla está exactamente centrada na botella, comeza a implosionar ritmicamente e emitir luz. A luz emítese en flashes de luz ultracurtos, que levan un billón de veces a concentración de enerxía da enerxía sonora orixinal. A temperatura no centro da burbulla alcanza os 20.000 ºC astronómicos, cunha presión enorme.

Os flashes de luz son moi curtos, entre 35 e 100 picosegundos, cunha potencia de 1 a 10 mW . As burbullas son moi pequenas cando emiten luz, duns 1 μm de diámetro. Ao principio, o fenómeno é estable, pero co tempo aparece a inestabilidade de Rayleigh-Taylor (inestabilidade entre dous fluídos de diferente densidade). Ao engadir unha pequena cantidade de gases nobres (helio, argon ou xenon), a intensidade da luz aumenta. A análise espectral dá temperaturas de burbulla entre 2900 e 5100 K. As temperaturas exactas dependen das condicións do experimento, incluída a composición de líquidos e gases.

De esquerda a dereita: formación de burbullas, lixeira expansión, compresión rápida e repentina e emisión de luz

Sonoluminescencia na natureza

Descubriuse que existe un caranguexo na natureza que utiliza algún tipo de sonoluminescencia que crea cunhas pinzas especiais e así mata á vítima (principalmente debido ás altas temperaturas).

Fusión fría e sonofusión: unha teoría en debate

Sonofusión usada por Rusi Taleyarkhan:
1. Bomba de baleiro
2. Escintilador líquido
3. Fonte de neutróns
4. Xerador de ondas acústicas 5. Cámara experimental con fluído6. Micrófono7. Tubo fotoduplicador8. Dous átomos de deuterio chocan • 8a. Un posible evento de fusión nuclear, que crea helio e un neutrón • 8b. Un posible evento de fusión nuclear, que crea tritio e un protón

A sonoluminescencia tamén xerou interese como un posible mecanismo para a 'sonofusión', un tipo de fusión fría que podería teoricamente ocorrer durante o colapso de burbullas en condicións controladas, proporcionando unha nova vía no campo da física para a investigación enerxética.

A descuberta en 1989 dos científicos Pons e Fleischmann da Universidade de Utah sobre a fusión fría reavivou o interese na sonoluminescencia como un posible mecanismo para inducir reaccións nucleares en pequena escala. Aínda que esta conexión segue sendo altamente especulativa e controvertida, a posibilidade de usar ondas sonoras para crear oscilacións de presión que poidan inducir a fusión nuclear capturou a atención da comunidade científica. Os dous científicos afirmaron que coa axuda de eléctrodos de paladio, conectados a unha batería e inmersos en deuterio, crearon conseguiron crear a fusión. Este proceso implicaría a implosión de burbullas de vapor de deuterio debido ás oscilacións de presión.

A divulgación pública de Pons e Fleischmann provocou un amplo debate e experimentación en diversos laboratorios, xa que Fleischmann era un electroquímico moi respectado. Aínda que inicialmente recibiron considerable atención, moitos detalles do seu traballo permanecen obxecto de escrutinio. En 2002, a Mariña dos EUA contribuíu á discusión publicando un estudo titulado "Aspectos térmicos e nucleares do sistema Pd/D₂O".

Algúns grupos de científicos lograron repetir o experimento de Pons e Fleischmann, e nalgúns casos conseguiron extraer até o 250% da enerxía que investiron, pero os críticos afirman que o exceso de enerxía non significa necesariamente que se estea a producir fusión, e que os produtos da fusión son o helio e os isótopos de hidróxeno. Os científicos italianos incluso conseguiron obter estes produtos, o que é un indicio de que a fusión tivo éxito.

Se a reacción se grava cunha cámara infravermella, é obvio que o exceso de calor non se produce sobre toda a superficie das placas de paladio, senón só en forma de miniexplosións en partes dos eléctrodos. Fleischmann, que segue traballando na investigación da fusión fría, séntese máis ou menos reivindicado, é dicir, a fusión fría aínda se considera a miúdo unha ciencia alternativa, pero as investigacións de institutos coñecidos e do exército estadounidense indican o posíbel uso desta fonte de enerxía.

Os científicos Lahey, Taleyarkhan e Nigmatulin afirman que deste xeito poden inducir a fusión nun tubo de vidro Pyrex común usando acetona deuterada. Usando un xerador de neutróns, fan que se formen burbullas no líquido e utilizan ondas sonoras para implosionalas. A emisión de neutróns, que son o produto da fusión, monitorízase mediante un detector de neutróns. Moitos científicos criticaron a Taleyarkhan por ocultar as formas en que provocou a sonofusión e os deseños do aparello, porque case ninguén repetiu con éxito os seus experimentos. El, pola súa banda, deféndese que sempre aportou todo o necesario para que os experimentos se levaran a cabo con éxito, e tentou demostrar o éxito dos seus experimentos con diversos métodos, pero toda esa área aínda está envolta de misterio e intriga.

Para moitos, a fusión fría é unha especie de pedra filosofal, unha utopía en que cada industria e cada fogar tería cantidades infinitas de enerxía.

Pese aos proclamados avances nos estudos de fusión fría, este campo segue xerando controversia. A crítica principal é a falta de reproducibilidade dos resultados e a ausencia de evidencia conclusiva que soporte a fusión nuclear baixo condicións de baixa enerxía. Ademais, moitos experimentos posteriores non lograron replicar os resultados orixinais, levando a un certo escepticismo.

Véxase tamén

Outros artigos

• Bioluminescencia
• Fusión nuclear
• Radiación

Ligazóns externas

Páxinas con explicacións e descricións máis detalladas dos experimentos:

• (en inglés) Techmind: Sonoluminescence
• (en inglés) Sonoluminescence.com: SL100B A Ready to Run Complete Sonoluminescence System
• (en inglés) Halexandria: Sonoluminescence