La sonoluminiscencia es la emisión de luz de las burbujas que implosionan en un líquido cuando son excitadas por el sonido.
La sonoluminiscencia se descubrió por primera vez en 1934 en la Universidad de Colonia . Ocurre cuando una onda sonora de suficiente intensidad induce a una cavidad gaseosa dentro de un líquido a colapsar rápidamente, emitiendo una ráfaga de luz. El fenómeno se puede observar en la sonoluminiscencia estable de burbuja única (SBSL) y la sonoluminiscencia de múltiples burbujas (MBSL). En 1960, Peter Jarman propuso que la sonoluminiscencia es de origen térmico y podría surgir de microshocks dentro de cavidades colapsantes. Experimentos posteriores revelaron que la temperatura dentro de la burbuja durante SBSL podría alcanzar hasta 12.000 kelvins (11.700 °C; 21.100 °F). El mecanismo exacto detrás de la sonoluminiscencia sigue siendo desconocido, con varias hipótesis que incluyen punto caliente, bremsstrahlung y radiación inducida por colisión. Algunos investigadores incluso han especulado que las temperaturas en sistemas sonoluminiscentes podrían alcanzar millones de kelvins, causando potencialmente 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 ejemplo conocido de un animal que produce luz a través de sonoluminiscencia. [2]
El efecto de sonoluminiscencia fue descubierto por primera vez en la Universidad de Colonia en 1934 como resultado del trabajo sobre el sonar . [3] Hermann Frenzel y H. Schultes colocaron un transductor de ultrasonidos en un tanque de líquido revelador fotográfico . Esperaban acelerar el proceso de revelado. 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] Era demasiado difícil analizar el efecto en los primeros experimentos debido al entorno complejo 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 sobre el fenómeno de la sonoluminiscencia. Concluyó que la sonoluminiscencia es básicamente de origen térmico y que posiblemente podría surgir de microchoques con el colapso de las cavidades. [5]
En 1990, Gaitan y Crum informaron sobre un avance experimental al producir sonoluminiscencia estable de burbuja única (SBSL). [6] En la 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 observó 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 aproximadamente 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] Hasta ahora, esta temperatura no se ha demostrado 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 suficiente intensidad induce a una cavidad gaseosa dentro de un líquido a colapsar rápidamente. Esta cavidad puede tomar la forma de una burbuja preexistente o puede generarse mediante un proceso conocido como cavitación . La sonoluminiscencia en el laboratorio puede lograrse de manera que sea estable, de modo que una sola burbuja se expanda y colapse una y otra vez de manera periódica, emitiendo una ráfaga de luz cada vez que colapsa. Para que esto ocurra, se establece una onda acústica estacionaria dentro de un líquido y la burbuja se asentará 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 se encuentra la burbuja.
Algunos datos sobre la sonoluminiscencia: [ cita requerida ]
Las mediciones espectrales han proporcionado 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 burbuja muy altas por 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 basado en la formación de plasmas . Utilizando 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 los 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 del núcleo alcanzan al menos 20 000 K (19 700 °C; 35 500 °F) [9], más caliente 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 el sistema de coordenadas esféricas ) y describe el movimiento del radio de la burbuja R como una 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 sobre la burbuja representan derivadas del tiempo. Esta ecuación, aunque aproximada, ha demostrado dar buenas estimaciones sobre el 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 el enfoque de energía adicional que una onda de choque formada internamente podría producir. En el caso estático, la ecuación de Rayleigh-Plesset se simplifica, produciendo la ecuación de Young-Laplace .
Se desconoce el mecanismo del fenómeno de la sonoluminiscencia. Las hipótesis incluyen: punto caliente, radiación de frenado , radiación inducida por colisión y descargas de corona , luz no clásica , efecto túnel de protones , chorros electrodinámicos y chorros fractoluminiscentes (hoy en día en gran parte desacreditados debido a la evidencia experimental contraria). [ cita requerida ]
En 2002, M. Brenner, S. Hilgenfeldt y D. Lohse publicaron una revisión 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 alrededor de 1% de argón, y la cantidad disuelta en agua es demasiado grande; para que se produzca sonoluminiscencia, la concentración debe reducirse al 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 unos cien ciclos de expansión-colapso. La burbuja comenzará entonces a emitir luz. [15] La emisión de luz de gas noble altamente comprimido se explota 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, que alcanza alrededor de 10.000 kelvin en el interior de la burbuja, lo que provoca 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 de superficie produciría una luz más intensa 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, lo que provoca una radiación térmica de frenado. A medida que la onda golpea un valle de baja energía, la presión cae, lo que permite que los electrones se recombinen con los átomos y cese la emisión de luz debido a esta falta de electrones libres. Esto produce un pulso de luz de 160 picosegundos para el argón (incluso una pequeña caída de temperatura causa una gran caída de la ionización, debido a la gran energía de ionización en relación con la energía del fotón). Esta descripción es una simplificación 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 tiempo de duración versus longitud de onda) que coinciden con los resultados experimentales [ cita requerida ] con errores no mayores que los esperados debido a algunas simplificaciones (por ejemplo, suponiendo una temperatura uniforme en toda la burbuja), por lo que parece que el fenómeno de la sonoluminiscencia se explica al menos de manera aproximada, aunque algunos detalles del proceso siguen siendo oscuros.
Cualquier discusión sobre la sonoluminiscencia debe incluir un análisis detallado de la metaestabilidad. La sonoluminiscencia en este sentido es lo que se denomina físicamente un fenómeno limitado, lo que significa que la sonoluminiscencia existe en una región limitada del espacio de parámetros de la burbuja, siendo un campo magnético acoplado uno de esos parámetros. Los aspectos magnéticos de la sonoluminiscencia están muy bien documentados. [16]
Una hipótesis inusualmente exótica de la 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 eventos 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 de rápido movimiento entre el agua y el gas convierte los fotones virtuales en fotones reales. Esto está relacionado con el efecto Unruh o el efecto Casimir . Se ha argumentado que la sonoluminiscencia libera una cantidad demasiado grande de energía y libera la energía 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 correcta. [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 de sonoluminiscencia pueden ser mucho más altas que 20.000 kelvins. Algunas investigaciones afirman haber medido temperaturas tan altas como 100.000 kelvins y especulan que las temperaturas podrían alcanzar los millones de kelvins. [21] Temperaturas tan altas podrían causar fusión termonuclear . Esta posibilidad a veces se conoce como 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 con acetona deuterada mostraron mediciones de tritio y neutrones compatibles con la fusión. Sin embargo, los artículos se consideraron de baja calidad y un informe sobre la mala conducta científica del autor generó dudas, lo que 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 chasqueador ) produce un tipo de luminiscencia por cavitación a partir de una burbuja que colapsa al chasquear rápidamente su pinza. El animal cierra una pinza especializada para crear una burbuja de cavitación que genera presiones acústicas de hasta 80 kPa a una distancia de 4 cm de la pinza. A medida que se extiende desde la pinza, la burbuja alcanza velocidades de 60 millas por hora (97 km/h) y libera un sonido que alcanza los 218 decibeles. La presión es lo suficientemente fuerte como para matar a 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 la que estos camarones usan 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 caprichosamente bautizado como "camarón luminiscente" tras su descubrimiento en 2001. [27] Posteriormente se descubrió que otro grupo de crustáceos, el camarón mantis , contiene especies cuyas extremidades anteriores en forma de garrote pueden golpear tan rápidamente y con tanta fuerza como para inducir burbujas de cavitación sonoluminiscentes al impactar. [2]
También se informó que un dispositivo mecánico con una pinza de pargo impresa en 3D de un tamaño cinco veces mayor al real emitía luz de manera similar, [28] este diseño bioinspirado se basó en la muda de la pinza de pargo del camarón mordedor desprendida de un Alpheus formosus , el camarón mordedor rayado. [29]
