La sonoluminiscencia es la emisión de luz procedente de burbujas que implosionan en un líquido cuando se excitan con un sonido.
La sonoluminiscencia se descubrió por primera vez en 1934 en la Universidad de Colonia . Ocurre cuando una onda sonora de suficiente intensidad induce el colapso rápido de una cavidad gaseosa dentro de un líquido, emitiendo un estallido de luz. El fenómeno se puede observar en sonoluminiscencia estable de una sola burbuja (SBSL) y sonoluminiscencia de múltiples burbujas (MBSL). En 1960, Peter Jarman propuso que la sonoluminiscencia es de origen térmico y podría surgir de microchoques dentro de cavidades que colapsan. Experimentos posteriores revelaron que la temperatura dentro de la burbuja durante SBSL podría alcanzar hasta 12.000 kelvin (11.700 °C; 21.100 °F). El mecanismo exacto detrás de la sonoluminiscencia sigue siendo desconocido, con varias hipótesis que incluyen hotspot, bremsstrahlung y radiación inducida por colisión. Algunos investigadores incluso han especulado que las temperaturas en los sistemas sonoluminiscentes podrían alcanzar millones de kelvins, provocando potencialmente una fusión termonuclear; Esta idea, sin embargo, ha sido recibida con escepticismo por otros investigadores. [1] El fenómeno también se ha observado en la naturaleza, siendo el camarón pistola el primer caso conocido de un animal que produce luz a través de sonoluminiscencia. [2]
El efecto de sonoluminiscencia se descubrió por primera vez en la Universidad de Colonia en 1934 como resultado de un trabajo con sonar . [3] Hermann Frenzel y H. Schultes colocaron 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 líquido emitían luz con el ultrasonido activado. [4] 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 ahora se conoce como sonoluminiscencia de múltiples burbujas (MBSL).
En 1960, Peter Jarman del Imperial College de Londres propuso la teoría más fiable del fenómeno de la sonoluminiscencia. Concluyó que la sonoluminiscencia es básicamente de origen térmico y que posiblemente podría surgir de microchoques con las cavidades que colapsan. [5]
En 1990, Gaitan y Crum informaron de un avance experimental, que produjeron una sonoluminiscencia estable de una sola burbuja (SBSL). [6] En SBSL, 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 fundir el acero , como se vio en un experimento realizado en 2012; la temperatura dentro de la burbuja cuando colapsó alcanzó unos 12.000 K (11.700 °C; 21.100 °F). [7] El interés en la sonoluminiscencia se renovó cuando se postuló una temperatura interna de dicha burbuja muy por encima de 1 MK (999,727 °C; 1,799,540 °F). [8] Esta temperatura hasta el momento no está demostrada de manera concluyente; más bien, experimentos recientes indican temperaturas de alrededor de 20.000 K (19.700 °C; 35.500 °F). [9]
La sonoluminiscencia puede ocurrir cuando una onda sonora de intensidad suficiente induce el colapso rápido de una cavidad gaseosa dentro de un líquido. 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 forma periódica, emitiendo un estallido de luz cada vez que colapsa. Para que esto ocurra, se establece una onda acústica estacionaria dentro de un líquido y la burbuja se ubicará en un antinodo 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: [ cita necesaria ]
Las mediciones espectrales han dado temperaturas de burbuja en el rango de 2300 a 5100 K (2030 a 4830 °C; 3680 a 8720 °F), las temperaturas exactas dependen de las condiciones experimentales, incluida la composición del líquido y el gas. [11] La detección de temperaturas de burbujas muy altas mediante 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 basándose 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 pueblan estados excitados de alta energía, lo que confirma la hipótesis de que las burbujas tienen un núcleo de plasma caliente. [12] La energía de ionización y excitación de los cationes dioxigenilo , que observaron, es de 18 electronvoltios (2,9 × 10 −18 J). A partir de esta observación, concluyen que las temperaturas centrales alcanzan al menos 20.000 K (19.700 °C; 35.500 °F) [9] , más calientes que la superficie del Sol .
La dinámica del movimiento de la burbuja se caracteriza en una primera aproximación por la ecuación de Rayleigh-Plesset (llamada así en honor a Lord Rayleigh y Milton Plesset ):
Esta es una ecuación aproximada que se deriva de las ecuaciones de Navier-Stokes (escritas en sistema de coordenadas esféricas ) y describe el movimiento del radio de la burbuja R en función del tiempo t . Aquí, μ es la viscosidad , es la presión externa infinitamente lejos de la burbuja, es la presión interna de la burbuja, es la densidad del líquido y γ es la tensión superficial . Los puntos superiores representan derivadas del tiempo. Se ha demostrado que esta ecuación, aunque aproximada, proporciona buenas estimaciones del 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. [13] Por lo tanto, se necesita un análisis más detallado del movimiento de la burbuja más allá de Rayleigh-Plesset para explorar la concentración de energía adicional que podría producir una onda de choque formada internamente. En el caso estático, la ecuación de Rayleigh-Plesset se simplifica y produce la ecuación de Young-Laplace .
Se desconoce el mecanismo del fenómeno de la sonoluminiscencia. Las hipótesis incluyen: punto caliente, radiación bremsstrahlung , radiación inducida por colisiones y descargas de corona , luz no clásica , túneles de protones , chorros electrodinámicos y chorros fractoluminiscentes (ahora en gran medida desacreditados debido a evidencia experimental contraria). [ cita necesaria ]
En 2002, M. Brenner, S. Hilgenfeldt y D. Lohse publicaron una reseña de 60 páginas que contiene una explicación detallada del mecanismo. [14] 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 sonoluminiscencia, la concentración debe reducirse a 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 aproximadamente cien ciclos de expansión-colapso. Entonces la burbuja comenzará a emitir luz. [15] La emisión de luz de un gas noble altamente comprimido se aprovecha tecnológicamente en los dispositivos de flash de argón .
Durante el colapso de la burbuja, la inercia del agua circundante provoca una alta presión y una 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 en superficie produciría luz más intensa y de mayor duración, dependiendo de la longitud de onda , lo que contradice los resultados experimentales. Los electrones de los átomos ionizados interactúan principalmente con átomos neutros, provocando radiación de ruptura térmica. Cuando la onda golpea un valle de baja energía, la presión cae, lo que permite que los electrones se recombinen con los átomos y que 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 en la temperatura provoca una gran caída en la ionización, debido a la gran energía de ionización en relación con la energía del fotón). Esta descripción se simplifica a partir de la literatura anterior, que detalla varios pasos de diferente duración, desde 15 microsegundos (expansión) hasta 100 picosegundos (emisión).
Los cálculos basados en la teoría presentada en la revisión producen parámetros de radiación (intensidad y duración versus longitud de onda) que coinciden con los resultados experimentales [ cita necesaria ] con errores no mayores de lo esperado debido a algunas simplificaciones (por ejemplo, asumir una temperatura uniforme en toda la burbuja). , por lo que parece que el fenómeno de la sonoluminiscencia se explica al menos de forma aproximada, aunque algunos detalles del proceso siguen siendo oscuros.
Cualquier discusión sobre sonoluminiscencia debe incluir un análisis detallado de la metaestabilidad. La sonoluminiscencia a este respecto es lo que físicamente se denomina un fenómeno acotado, lo que significa que la sonoluminiscencia existe en una región limitada del espacio de parámetros para la burbuja; un campo magnético acoplado es uno de esos parámetros. Los aspectos magnéticos de la sonoluminiscencia están muy bien documentados. [dieciséis]
Una hipótesis inusualmente exótica de sonoluminiscencia, que ha recibido mucha atención popular, es la hipótesis de la energía de Casimir sugerida por el destacado físico Julian Schwinger [17] y considerada más a fondo en un artículo de Claudia Eberlein [18] de la Universidad de Sussex . El artículo de Eberlein sugiere que la luz en la 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 . Según 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 efecto Casimir . Se ha argumentado que la sonoluminiscencia libera una cantidad demasiado grande de energía y la libera en una escala de tiempo demasiado corta para ser consistente con la explicación de la energía del vacío, [19] aunque otras fuentes creíbles argumentan que la explicación de la energía del vacío aún podría resultar válida. correcto. [20]
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 muy superiores a los 20.000 kelvin. Algunas investigaciones afirman haber medido temperaturas de hasta 100.000 kelvin y especulan que las temperaturas podrían alcanzar millones de kelvin. [21] Temperaturas tan altas podrían provocar una 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 .
Los experimentos realizados en 2002 y 2005 por RP Taleyarkhan utilizando acetona deuterada mostraron mediciones de producción de tritio y neutrones compatibles con la fusión. Sin embargo, los artículos se consideraron de baja calidad y un informe arrojó dudas sobre la mala conducta científica del autor. Esto hizo que el informe perdiera credibilidad entre la comunidad científica. [22] [23] [24]
El 27 de enero de 2006, investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer afirmaron haber producido fusión en experimentos de sonoluminiscencia. [25] [26]
El camarón pistola (también llamado camarón mordedor ) produce un tipo de luminiscencia por cavitación a partir del colapso de una burbuja causada al chasquear 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 por la burbuja pueden no tener un significado directo, ya que es la onda de choque producida por la burbuja que colapsa rápidamente y que estos camarones utilizan para aturdir o matar a sus presas. Sin embargo, es el primer caso conocido de un animal que produce luz mediante este efecto y fue apodado caprichosamente "camarónpoluminiscencia" tras su descubrimiento en 2001. [27] Posteriormente se descubrió que otro grupo de crustáceos, el camarón mantis , contiene especies cuyas Las extremidades anteriores en forma de maza pueden golpear tan rápido y con tanta fuerza que inducen burbujas de cavitación sonoluminiscentes al impactar. [2]
También se informó que un dispositivo mecánico con una garra de pargo impresa en 3D de cinco veces el tamaño real emitía luz de manera similar, [28] este diseño bioinspirado se basó en la muda de la garra de pargo de camarón mordedor de un Alpheus formosus , el camarón mordedor rayado. . [29]
