La triboluminiscencia es un fenómeno en el que se genera luz cuando un material se separa, se rasga, se raya, se aplasta o se frota mecánicamente (ver tribología ). El fenómeno no se comprende completamente, pero en la mayoría de los casos parece ser 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 pelar cintas adhesivas.
La triboluminiscencia es a menudo sinónimo de fractoluminiscencia (un término utilizado principalmente para referirse 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 cuando se rompe. Estos son ejemplos de mecanoluminiscencia , que es la luminiscencia resultante de cualquier acción mecánica sobre un sólido .
Historia
Cascabeles de cuarzo del pueblo indígena Uncompahgre Ute
El pueblo indígena Uncompahgre Ute del centro de Colorado es uno de los primeros grupos de personas documentados en el mundo al que se le atribuye la aplicación de mecanoluminiscencia que implica el uso de cristales de cuarzo para generar luz. [1] [2] Los Ute construyeron sonajeros ceremoniales únicos hechos de cuero crudo de búfalo que llenaron con cristales de cuarzo transparentes recolectados de las montañas de Colorado y Utah. Cuando los cascabeles se agitaban por la noche durante las ceremonias, la fricción y la tensión mecánica de los cristales de cuarzo que impactaban entre sí producían destellos de luz visibles a través de la piel translúcida de búfalo.
Primeros informes científicos
La primera observación registrada se atribuye al erudito inglés Francis Bacon cuando registró en su Novum Organum de 1620 que "es bien sabido que todo el azúcar , ya sea confitado o natural, 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 parcialmente lleno de mercurio. El espacio vacío sobre el mercurio brillaría cada vez que el mercurio se deslizara por el tubo de vidrio. [5]
A finales de la década de 1790, la producción de azúcar comenzó a producir 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 de pinzas de azúcar . La gente empezó a notar que se veían pequeños estallidos de luz cuando se "mordisqueaba" el azúcar en condiciones de poca luz, un ejemplo establecido de triboluminiscencia. [6]
Mecanismo de acción
Quedan algunas ambigüedades sobre el efecto. La teoría actual de la triboluminiscencia, basada en evidencia cristalográfica, espectroscópica y otras evidencias experimentales, es que tras la fractura de materiales asimétricos, la carga se separa. Cuando las cargas se recombinan, la descarga eléctrica ioniza el aire circundante y provoca un destello de luz. La investigación sugiere 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
Ciertos materiales y sustancias del hogar pueden verse como exhibidores de la propiedad:
La cinta sensible a la presión común (" cinta adhesiva ") muestra una línea brillante donde el extremo de la cinta se separa del rollo. [10] Los científicos soviéticos observaron en 1953 que al despegar un rollo de cinta en el vacío se producían rayos X. [11] El mecanismo de generación de rayos X se estudió más a fondo en 2008. [12] [13] [14] También se han observado emisiones de rayos X similares con metales. [15]
Abrir un sobre sellado con pegamento polimérico puede generar luz que puede verse como destellos azules en la oscuridad. [dieciséis]
Cuando se trituran los cristales de azúcar, se crean pequeños campos eléctricos que separan las cargas positivas y negativas que crean chispas al intentar reunirse. Los salvavidas Wint-O-Green funcionan especialmente bien para crear este tipo de chispas, porque el aceite de gaulteria ( salicilato de metilo ) es fluorescente y convierte la luz ultravioleta en luz azul . [17] [18]
Un diamante puede comenzar a brillar al frotarlo; Esto sucede ocasionalmente con los diamantes mientras se rectifica una faceta o se corta el diamante durante el proceso de corte . Los diamantes pueden tener fluorescencia azul o roja. Algunos otros minerales, como el cuarzo , son triboluminiscentes y emiten luz cuando se frotan entre sí. [19]
Productos químicos que destacan por su triboluminiscencia.
El europio tetrakis (dibenzoilmeturo)trietilamonio emite destellos rojos particularmente brillantes cuando se destruyen sus cristales. [22] [23]
El trifenilfosfinbis(piridina)tiocianatocobre(I) emite una luz azul razonablemente fuerte cuando se fracturan sus cristales. Esta luminiscencia no es tan extrema como la luminiscencia roja; sin embargo, sigue siendo muy claramente visible a simple vista en entornos estándar. [24] [25]
La fractoluminiscencia se utiliza a menudo como sinónimo de triboluminiscencia. [27] Es la emisión de luz por la fractura (en lugar del roce) de un cristal , pero la fractura a menudo ocurre con el roce. 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 cargado negativamente. Como 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 baño de gas 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 EMR de metales y aleaciones. Molotskii presentó un mecanismo de dislocación para este tipo de emisión EMR. [29] En 2005, Srilakshmi y Misra informaron de un fenómeno adicional de EMR secundario durante la deformación plástica y la propagación de grietas en metales y aleaciones no recubiertos y recubiertos de metal. [30]
Misra (1973-75) informó sobre 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, 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 mediante el uso de fotomultiplicadores . Srilakshmi y Misra (2005a) también informaron de un fenómeno adicional de radiación electromagnética secundaria en metales y aleaciones no recubiertos y recubiertos de metal. Si un material sólido se somete a tensiones de grandes amplitudes, que pueden provocar deformación plástica y fractura, se producen emisiones como térmicas, acústicas, iónicas y exoemisiones.
EMR inducida por deformación
El estudio de la deformación es fundamental para el desarrollo de nuevos materiales. La deformación de los metales depende de la temperatura, el tipo de tensión aplicada, la velocidad de deformación, la oxidación y la corrosión. La EMR inducida por 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 EMR depende de la orientación de los granos en los cristales individuales, ya que las propiedades de los materiales 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 lleva a EMR. El pulso comienza a decaer cuando el crujido se detiene. [33] Las observaciones de experimentos mostraron que las señales EMR emitidas contienen componentes de frecuencia mixta.
Métodos de prueba para medir EMR
El método de prueba de tracción más utilizado se utiliza para caracterizar las propiedades mecánicas de los materiales. A partir de cualquier registro completo de pruebas de tracción, se puede obtener información importante sobre las propiedades elásticas del material, el carácter y el alcance de la deformación plástica, el rendimiento y la resistencia y tenacidad a la tracción. 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 el ensayo de tracción de las probetas. A partir de experimentos, se puede demostrar que la formación de grietas por tracción excita una EMR más intensiva que el agrietamiento por corte, el aumento de la elasticidad, la resistencia y la tasa de carga durante la carga uniaxial aumenta la amplitud. La relación de Poisson es un parámetro clave para la caracterización EMR durante la compresión triaxial. [34] Si el coeficiente de Poisson es menor, es más difícil que el material se deforme transversalmente y, por tanto, hay una mayor probabilidad de nuevas fracturas.
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Otras lecturas
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enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la triboluminiscencia .
"La ciencia sólida detrás del azúcar resplandeciente". Mundo de la Física . 2006.
"Correlación entre destellos de rayos X de nanosegundos y fricción entre adherencia y deslizamiento en cinta despegable". Naturaleza . 455 (7216): 1089–1092. 23 de octubre de 2008. Bibcode : 2008Natur.455.1089C. doi : 10.1038/naturaleza07378. S2CID 4372536.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
Discusión sobre triboluminiscencia en Tribo Net
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