El método del alambre explosivo o EWM es una forma de generar plasma que consiste en enviar un pulso de corriente eléctrica lo suficientemente fuerte a través de un alambre delgado de algún material conductor de electricidad . El calentamiento resistivo vaporiza el alambre y un arco eléctrico a través de ese vapor crea una onda de choque explosiva .
Los cables explosivos se utilizan como detonadores de explosivos , como fuentes de luz momentáneas de alta intensidad y en la producción de nanopartículas metálicas .
Uno de los primeros casos documentados de uso de electricidad para fundir un metal ocurrió a fines del siglo XVIII [1] y se le atribuye a Martin van Marum, quien fundió 21 metros de alambre de metal con 64 frascos de Leyden como condensador. El generador de Van Marum se construyó en 1784 y ahora se encuentra en el Museo Teylers en los Países Bajos. Años después, Benjamin Franklin vaporizó hojas finas de oro para quemar imágenes en papel. [2] [3] Si bien ni Marum ni Franklin incitaron realmente el fenómeno del alambre explosivo, ambos fueron pasos importantes hacia su descubrimiento.
Edward Nairne fue el primero en notar la existencia del método de alambre explosivo en 1774 con alambre de plata y cobre. Posteriormente, Michael Faraday utilizó EWM para depositar películas delgadas de oro a través de la solidificación de metal vaporizado en superficies adyacentes. Luego, August Toepler estudió los depósitos de vapor de gas metálico como resultado de EWM durante el siglo XIX. La investigación espectrográfica del proceso, dirigida por JA Anderson, se generalizó en el siglo XX. Los experimentos espectrográficos permitieron una mejor comprensión y, posteriormente, los primeros atisbos de aplicación práctica. A mediados del siglo XX se realizaron experimentos con EWM como fuente de luz y para la producción de nanopartículas en alambres de aluminio, uranio y plutonio. Congruentemente, Luis Álvarez y Lawrence H. Johnston del Proyecto Manhattan encontraron uso para EWM en el desarrollo de detonadores nucleares. [3] [4]
La investigación actual se centra en la utilización de EWM para producir nanopartículas, así como en una mejor comprensión de los detalles del mecanismo, como los efectos del entorno del sistema en el proceso.
Los componentes básicos necesarios para el método del alambre explosivo son un alambre conductor delgado y un condensador. El alambre suele ser de oro, aluminio, hierro o platino y suele tener un diámetro inferior a 0,5 mm. El condensador tiene un consumo de energía de unos 25 kWh/kg y descarga un pulso con una densidad de corriente de 10 4 - 10 6 A/mm 2 , [5] lo que genera temperaturas de hasta 100.000 K . El fenómeno se produce en un periodo de tiempo de tan solo 10 −8 - 10 −5 segundos. [6]
El proceso es el siguiente:
La investigación de EWM ha sugerido posibles aplicaciones en la excitación de máseres ópticos , fuentes de luz de alta intensidad para comunicaciones, propulsión de naves espaciales , unión de materiales difíciles como el cuarzo y generación de pulsos de radiofrecuencia de alta potencia. [3] Las aplicaciones más prometedoras de EWM son como detonador, fuente de luz y para la producción de nanopartículas.
El uso más común del EWM es como detonador, denominado detonador de puente de alambre explosivo , para bombas nucleares. Los detonadores de puente de alambre son ventajosos con respecto a las espoletas químicas, ya que la explosión es constante y se produce solo unos pocos microsegundos después de que se aplica la corriente, con una variación de solo unas pocas decenas de nanosegundos de un detonador a otro. [7]
La EWM es un mecanismo eficaz para obtener una fuente de luz de alta intensidad y corta duración. La intensidad máxima para el cable de cobre, por ejemplo, es de 9,6·10 8 potencias de vela/cm 2 . [8] JA Anderson escribió en sus estudios espectrográficos iniciales que la luz era comparable a un cuerpo negro a 20.000 K. [9] La ventaja de un destello producido de esta manera es que es fácilmente reproducible con poca variación en la intensidad. La naturaleza lineal del cable permite destellos de luz con formas y ángulos específicos y se pueden utilizar diferentes tipos de cables para producir diferentes colores de luz. [10] La fuente de luz se puede utilizar en interferometría , fotólisis con flash , espectroscopia cuantitativa y fotografía de alta velocidad .
Las nanopartículas se crean mediante EWM cuando el gas ambiental del sistema enfría el metal vaporoso recientemente producido. [11] EWM se puede utilizar para producir nanopartículas de manera económica y eficiente a una velocidad de 50 a 300 gramos por hora y con una pureza superior al 99%. [6] [5] El proceso requiere un consumo de energía relativamente bajo, ya que se pierde poca energía en una conversión de energía eléctrica a térmica. Los efectos ambientales son mínimos debido a que el proceso se lleva a cabo en un sistema cerrado. Las partículas pueden ser tan pequeñas como 10 nm, pero lo más común es que tengan un diámetro inferior a 100 nm. Los atributos físicos del nanopolvo se pueden alterar según los parámetros de la explosión. Por ejemplo, a medida que aumenta el voltaje del condensador, disminuye el diámetro de la partícula. Además, la presión del entorno de gas puede cambiar la dispersividad de las nanopartículas. [6] A través de tales manipulaciones, se puede alterar la funcionalidad del nanopolvo.
Cuando se realiza la EWM en una atmósfera estándar que contiene oxígeno, se forman óxidos metálicos. Las nanopartículas de metal puro también se pueden producir con EWM en un entorno inerte, generalmente gas argón o agua destilada. [12] Los nanopolvos de metal puro deben mantenerse en su entorno inerte porque se encienden cuando se exponen al oxígeno del aire. [5] A menudo, el vapor de metal se contiene haciendo funcionar el mecanismo dentro de una caja de acero o un recipiente similar.
Las nanopartículas son un material relativamente nuevo que se utiliza en medicina, fabricación, limpieza ambiental y circuitos. El óxido de metal y las nanopartículas de metal puro se utilizan en catálisis , sensores, antioxidantes de oxígeno, metales autorreparables, cerámicas, protección contra rayos UV , protección contra olores, baterías mejoradas, circuitos imprimibles, materiales optoelectrónicos y remediación ambiental . [13] [14] La demanda de nanopartículas metálicas y, por lo tanto, de métodos de producción, ha aumentado a medida que el interés en la nanotecnología continúa aumentando. A pesar de su abrumadora simplicidad y eficiencia, es difícil modificar el aparato experimental para usarlo a escala industrial. Como tal, EWM no ha visto una utilización generalizada en la industria de producción de materiales debido a problemas en la cantidad de fabricación. Aún así, durante algún tiempo, Argonide ofreció nanopolvos metálicos hechos por el método de alambre explosivo que se fabricaron en Rusia. [15]