Una explosión de Coulombic es un proceso físico de materia condensada en el que una molécula o red cristalina es destruida por la repulsión de Coulombic entre sus átomos constituyentes. Las explosiones culombicas son una técnica destacada en el mecanizado basado en láser y aparecen de forma natural en determinadas reacciones de alta energía.
Una explosión de Coulómbico comienza cuando un intenso campo eléctrico (a menudo procedente de un láser ) excita los electrones de valencia de un sólido, expulsándolos del sistema y dejando atrás iones cargados positivamente . Los enlaces químicos que mantienen unido el sólido se debilitan por la pérdida de electrones, lo que permite que la repulsión de Coulombic entre los iones los supere. El resultado es una explosión de iones y electrones: un plasma .
El láser debe ser muy intenso para producir una explosión de Coulomb. Si es demasiado débil, la energía dada a los electrones se transferirá a los iones mediante el acoplamiento electrón- fonón . Esto hará que todo el material se caliente, se derrita y se elimine térmicamente como plasma. El resultado final es similar a la explosión de Coulomb, excepto que cualquier estructura fina del material resultará dañada por la fusión térmica. [1]
Se puede demostrar que la explosión de Coulomb ocurre en el mismo régimen de parámetros que la transición de fase superradiante , es decir, cuando las interacciones desestabilizadoras se vuelven abrumadoras y dominan los movimientos oscilatorios de unión de fonones y sólidos. [ cita necesaria ]
Una explosión de Coulomb es una alternativa "fría" a la técnica dominante de ablación térmica de grabado con láser , que depende del calentamiento, fusión y vaporización local de moléculas y átomos utilizando rayos menos intensos. La brevedad del pulso hasta el régimen de nanosegundos es suficiente para localizar la ablación térmica: antes de que el calor se conduzca lejos, la entrada de energía (pulso) ha terminado. Sin embargo, los materiales sometidos a ablación térmica pueden sellar poros importantes en la catálisis o el funcionamiento de la batería, y recristalizar o incluso quemar el sustrato, cambiando así las propiedades físicas y químicas en el sitio del grabado. Por el contrario, incluso las espumas ligeras permanecen sin sellar después de la ablación por la explosión de Coulomb.
Las explosiones de Coulomb para mecanizado industrial se realizan con pulsos láser ultracortos ( picosegundos o femtosegundos ). Las enormes intensidades de haz requeridas (umbrales de 10 a 400 teravatios por centímetro cuadrado, dependiendo del material) solo son prácticas de generar, dar forma y entregar durante muy breves instantes de tiempo. [ cita necesaria ] El grabado por explosión de Coulomb se puede utilizar en cualquier material para perforar agujeros, eliminar capas superficiales y texturar y microestructurar superficies; por ejemplo, para controlar la carga de tinta en las imprentas. [2]
Las imágenes de cámaras de alta velocidad de metales alcalinos explotando en el agua han sugerido que se trata de una explosión de culombio. [3] [4]
Durante una explosión nuclear basada en la fisión del uranio, se emiten 167 MeV en forma de explosión coulómbica entre cada núcleo anterior de uranio, la energía electrostática repulsiva entre los dos núcleos hijos de la fisión , se traduce en energía cinética de los productos de fisión que da como resultado tanto el impulsor principal de la radiación del cuerpo negro que genera rápidamente la formación de bola de fuego nuclear /plasma denso caliente y, por lo tanto, también los efectos térmicos y de explosión posteriores. [5] [6]
Los científicos del Instituto Zoológico de la Universidad de Colonia han sugerido que la explosión de Coulomb (específicamente, la repulsión electrostática de los grupos carboxilo disociados del ácido poliglutámico) puede ser parte de la acción explosiva de los nematocitos, las células urticantes de los organismos acuáticos del filo Cnidaria . [7]
Las moléculas se mantienen unidas mediante un equilibrio de carga entre los electrones negativos y los núcleos positivos. Cuando se expulsan múltiples electrones, ya sea mediante irradiación láser o bombardeo con iones altamente cargados, los núcleos restantes, mutuamente repulsivos, se separan en una explosión de Coulomb. La estructura de moléculas simples en fase gaseosa se puede determinar mediante imágenes que rastrean las trayectorias de los fragmentos. [8] [9] A partir de 2022, el método puede funcionar con moléculas de hasta 11 átomos. [10] [11]
Aproximadamente el 82% de la energía de fisión se libera como energía cinética de los dos grandes fragmentos de fisión. Estos fragmentos, al ser partículas masivas y muy cargadas, interactúan fácilmente con la materia. Transfieren su energía rápidamente a los materiales de las armas circundantes, que rápidamente se calientan.
Las diversas energías emitidas por evento de fisión, página 4.
"167 MeV"
se emite mediante la energía electrostática repulsiva entre los 2 núcleos hijos, que toma la forma de "cinética "Energía" de los productos de fisión, esta energía cinética produce efectos térmicos y de explosión posteriores.
Se liberan
"5 MeV" en la radiación gamma inmediata o inicial,
"5 MeV"
en la radiación de neutrones inmediata (99,36% del total),
"7 MeV"
en la energía de neutrones retardada (0,64%) y
"13 MeV"
en la desintegración beta y gamma. descomposición (radiación residual)