Una explosión coulombiana es un proceso de física de materia condensada en el que una molécula o red cristalina se destruye por la repulsión coulombiana entre sus átomos constituyentes. Las explosiones coulombianas son una técnica destacada en el mecanizado basado en láser y aparecen de forma natural en ciertas reacciones de alta energía.
Una explosión coulombiana comienza cuando un campo eléctrico intenso (a menudo de un láser ) excita los electrones de valencia de un sólido, expulsándolos del sistema y dejando atrás iones con carga positiva . Los enlaces químicos que mantienen unido el sólido se debilitan por la pérdida de electrones, lo que permite que la repulsión coulombiana 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 que reciben los electrones se transferirá a los iones a través del acoplamiento electrón- fonón . Esto hará que todo el material se caliente, se derrita y se desintegra térmicamente en forma de plasma. El resultado final es similar a la explosión de Coulomb, excepto que cualquier estructura fina del material se dañará 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 sobre los movimientos oscilatorios de unión fonón-sólido. [ cita requerida ]
Una explosión de Coulomb es una alternativa "fría" a la técnica dominante de grabado láser de ablación térmica , que depende del calentamiento local, la fusión y la vaporización de moléculas y átomos utilizando haces 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 ablacionados térmicamente 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 de grabado. En contraste, incluso las espumas ligeras permanecen sin sellar después de la ablación por explosión de Coulomb.
Las explosiones de Coulomb para el 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, según el material) solo son prácticas para generar, dar forma y entregar durante instantes de tiempo muy breves. [ cita requerida ] El grabado por explosión de Coulomb se puede utilizar en cualquier material para perforar agujeros, eliminar capas superficiales y texturizar 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 agua han sugerido que se trata de una explosión de Coulomb. [3] [4]
Durante una explosión nuclear basada en la fisión de uranio, se emiten 167 MeV en forma de explosión coulombiana entre cada núcleo anterior de uranio, la energía electrostática repulsiva entre los dos núcleos hijos de la fisión se traduce en la energía cinética de los productos de fisión que da como resultado tanto el impulsor primario de la radiación del cuerpo negro que genera rápidamente la formación de plasma denso caliente/ bola de fuego nuclear 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 en los organismos acuáticos del filo Cnidaria . [7]
Las moléculas se mantienen unidas gracias a un equilibrio de carga entre los electrones negativos y los núcleos positivos. Cuando se expulsan varios electrones, ya sea mediante irradiación láser o bombardeo con iones altamente cargados, los núcleos restantes, que se repelen mutuamente, 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]
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 altamente cargadas, interactúan fácilmente con la materia. Transfieren su energía rápidamente a los materiales de armas circundantes, que se calientan rápidamente.
Las distintas energías emitidas por evento de fisión pág. 4.
"167 MeV"
se emiten por medio de la energía electrostática repulsiva entre los 2 núcleos hijos, que toma la forma de la "energía cinética" de los productos de fisión; esta energía cinética produce efectos térmicos y de explosión posteriores.
"5 MeV"
se liberan en la radiación gamma inmediata o inicial,
"5 MeV"
en la radiación neutrónica inmediata (99,36 % del total),
"7 MeV"
en la energía neutrónica retardada (0,64 %) y
"13 MeV"
en la desintegración beta y gamma (radiación residual)