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Triboluminiscencia

Triboluminiscencia del L -salicilato de nicotina

La triboluminiscencia es un fenómeno en el que se genera luz cuando un material se separa, rasga, raya, aplasta o frota mecánicamente (véase tribología ). El fenómeno no se entiende por completo, pero parece que en la mayoría de los casos está causado por la separación y reunificación de cargas eléctricas estáticas ; véase también efecto triboeléctrico . El término proviene del griego τρίβειν ("frotar"; véase tribología ) y del latín lumen (luz). La triboluminiscencia se puede observar al romper cristales de azúcar y al despegar cintas adhesivas.

Triboluminiscencia es a menudo sinónimo de fractoluminiscencia (un término utilizado principalmente cuando se hace referencia únicamente a la luz emitida por cristales fracturados). La triboluminiscencia se diferencia de la piezoluminiscencia en que un material piezoluminiscente emite luz cuando se deforma, en lugar de romperse. Estos son ejemplos de mecanoluminiscencia , que es la luminiscencia resultante de cualquier acción mecánica sobre un sólido .

Historia

Sonajero ceremonial de piel de búfalo ute de Uncompahgre, relleno de cristales de cuarzo. Se ven destellos de luz cuando los cristales de cuarzo se someten a tensión mecánica en la oscuridad.

Cascabeles de cuarzo del pueblo indígena Uncompahgre Ute

Los indígenas utes Uncompahgre del centro de Colorado son uno de los primeros grupos documentados del mundo a los que se les atribuye la aplicación de la mecanoluminiscencia, que implica el uso de cristales de cuarzo para generar luz. [1] [2] Los utes construían sonajeros ceremoniales únicos hechos de cuero crudo de búfalo que rellenaban con cristales de cuarzo transparentes recolectados en las montañas de Colorado y Utah. Cuando se agitaban los sonajeros por la noche durante las ceremonias, la fricción y la tensión mecánica de los cristales de cuarzo al chocar entre sí producían destellos de luz visibles a través del cuero translúcido de búfalo.

Primeros informes científicos

La primera observación registrada se atribuye al erudito inglés Francis Bacon , cuando escribió en su Novum Organum de 1620 que "es bien sabido que todo el azúcar , ya sea confitado o simple, si es duro, brillará cuando se rompa o se raspe en la oscuridad". [3] El científico Robert Boyle también informó sobre algunos de sus trabajos sobre triboluminiscencia en 1663. [4] En 1675, el astrónomo Jean-Felix Picard observó que su barómetro brillaba en la oscuridad mientras lo llevaba. Su barómetro consistía en un tubo de vidrio que estaba parcialmente lleno de mercurio. El espacio vacío sobre el mercurio brillaba cada vez que el mercurio se deslizaba por el tubo de vidrio. [5]

A finales de la década de 1790, la producción de azúcar comenzó a generar cristales de azúcar más refinados. Estos cristales se formaron en un gran cono sólido para su transporte y venta. Este cono de azúcar sólido tuvo que romperse en trozos utilizables utilizando un dispositivo para cortar azúcar . La gente comenzó a notar que se veían pequeñas ráfagas de luz cuando se "cortaba" el azúcar en condiciones de poca luz, un ejemplo establecido de triboluminiscencia. [6]

Mecanismo de acción

Aún quedan algunas ambigüedades sobre este efecto. La teoría actual de la triboluminiscencia, basada en evidencia cristalográfica, espectroscópica y experimental, es que al fracturarse materiales asimétricos, la carga se separa. Cuando las cargas se recombinan, la descarga eléctrica ioniza el aire circundante, lo que provoca un destello de luz. Las investigaciones sugieren además que los cristales que muestran triboluminiscencia a menudo carecen de simetría y son malos conductores. [7] Sin embargo, hay sustancias que rompen esta regla y que no poseen asimetría, pero muestran triboluminiscencia, como el yoduro de hexakis(antipirina)terbio. [8] Se cree que estos materiales contienen impurezas que hacen que la sustancia sea localmente asimétrica. Puede encontrar más información sobre algunos de los posibles procesos involucrados en la página sobre el efecto triboeléctrico.

Se cree que el fenómeno biológico de la triboluminiscencia está controlado por la recombinación de radicales libres durante la activación mecánica. [9]

Ejemplos

En materiales comunes

Triboluminiscencia en cuarzo

Se puede observar que ciertos materiales y sustancias del hogar exhiben la propiedad:

Un diamante puede comenzar a brillar al frotarlo; esto sucede ocasionalmente cuando se le está puliendo una faceta o cuando se lo está cortando durante el proceso de tallado . Los diamantes pueden presentar fluorescencia azul o roja. Algunos otros minerales, como el cuarzo , son triboluminiscentes y emiten luz cuando se frotan entre sí. [19]

La triboluminiscencia como fenómeno biológico se observa en la deformación mecánica y la electrificación por contacto de la superficie epidérmica de los tejidos óseos y blandos, durante la masticación de alimentos, en la fricción en las articulaciones de las vértebras, durante las relaciones sexuales y durante la circulación sanguínea . [20] [21]

El corte abrasivo con chorro de agua de cerámica (por ejemplo, baldosas ) crea un brillo amarillo/naranja en el punto de impacto del flujo a muy alta velocidad.

Productos químicos que se destacan por su triboluminiscencia

Fractoluminiscencia

La fractoluminiscencia se utiliza a menudo como sinónimo de triboluminiscencia. [27] Es la emisión de luz a partir de la fractura (en lugar de frotamiento) de un cristal , pero la fractura a menudo ocurre con el frotamiento. Dependiendo de la composición atómica y molecular del cristal, cuando el cristal se fractura, puede ocurrir una separación de carga, haciendo que un lado del cristal fracturado esté cargado positivamente y el otro lado esté cargado negativamente. Al igual que en la triboluminiscencia, si la separación de carga da como resultado un potencial eléctrico lo suficientemente grande , puede ocurrir una descarga a través del espacio y a través del gas del baño entre las interfaces. El potencial al que esto ocurre depende de las propiedades dieléctricas del gas del baño. [28]

Propagación de EMR durante la fracturación

Se ha estudiado la emisión de radiación electromagnética (REM) durante la deformación plástica y la propagación de grietas en metales y rocas. También se han explorado y confirmado las emisiones de REM de metales y aleaciones. Molotskii presentó un mecanismo de dislocación para este tipo de emisión de REM. [29] En 2005, Srilakshmi y Misra informaron sobre un fenómeno adicional de REM secundaria durante la deformación plástica y la propagación de grietas en metales y aleaciones sin revestimiento y revestidos con metal. [30]

EMR durante la deformación microplástica y la propagación de grietas de varios metales y aleaciones y la generación de campos magnéticos transitorios durante el estrechamiento en metales ferromagnéticos fueron reportados por Misra (1973-75), que han sido confirmados y explorados por varios investigadores. [31] Tudik y Valuev (1980) pudieron medir la frecuencia EMR durante la fractura por tracción de hierro y aluminio en la región de 100 THz utilizando fotomultiplicadores . Srilakshmi y Misra (2005a) también informaron un fenómeno adicional de radiación electromagnética secundaria en metales y aleaciones sin recubrimiento y recubiertos con metal. Si un material sólido se somete a tensiones de grandes amplitudes, que pueden causar deformación plástica y fractura, ocurren emisiones como térmicas, acústicas, iónicas y exoemisiones.

EMR inducido por deformación

El estudio de la deformación es esencial para el desarrollo de nuevos materiales. La deformación en los metales depende de la temperatura, el tipo de tensión aplicada, la velocidad de deformación, la oxidación y la corrosión. La EMR inducida por la deformación se puede dividir en tres categorías: efectos en materiales de cristales iónicos, efectos en rocas y granitos, y efectos en metales y aleaciones. La emisión de EMR depende de la orientación de los granos en cristales individuales, ya que las propiedades del material son diferentes en diferentes direcciones. [32] La amplitud del pulso EMR aumenta a medida que la grieta crece a medida que se rompen nuevos enlaces atómicos, lo que conduce a la EMR. El pulso comienza a decaer a medida que se detiene el agrietamiento. [33] Las observaciones de los experimentos mostraron que las señales EMR emitidas contienen componentes de frecuencia mixta.

Métodos de prueba para medir la EMR

El método de prueba de tracción más utilizado se utiliza para caracterizar las propiedades mecánicas de los materiales. De cualquier registro completo de prueba de tracción, se puede obtener información importante sobre las propiedades elásticas del material, el carácter y el grado de deformación plástica, el rendimiento y las resistencias a la tracción y la tenacidad. La información obtenida de una prueba justifica el uso extensivo de pruebas de tracción en la investigación de materiales de ingeniería. Por lo tanto, las investigaciones de las emisiones EMR se basan principalmente en la prueba de tracción de las muestras. A partir de experimentos, se puede demostrar que la formación de grietas de tracción excita EMR más intensa que el agrietamiento por cizallamiento, lo que aumenta la elasticidad, la resistencia y la velocidad de carga durante la carga uniaxial aumenta la amplitud. El coeficiente de Poisson es un parámetro clave para la caracterización de EMR durante la compresión triaxial. [34] Si el coeficiente de Poisson es menor, es más difícil para el material deformarse transversalmente y, por lo tanto, existe una mayor probabilidad de nuevas fracturas.

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

Enlaces externos

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