Sonoluminiscencia

Sonoluminiscencia de una sola burbuja: una burbuja única y cavitante.

La sonoluminiscencia es la emisión de luz a partir de la implosión de burbujas en un líquido cuando se excita con un sonido.

Historia

El efecto de sonoluminiscencia se descubrió por primera vez en la Universidad de Colonia en 1934 como resultado del trabajo con el sonar. 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 fluido emitían luz con el ultrasonido encendido. Fue 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 del fenómeno de la sonoluminiscencia. Concluyó que la sonoluminiscencia es básicamente de origen térmico y que posiblemente podría surgir de microshocks con las cavidades colapsadas.

En 1989, se introdujo un avance experimental que produjo una sonoluminiscencia estable de una sola burbuja (SBSL). En la sonoluminiscencia de una sola burbuja, 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 dio cuenta de que la temperatura dentro de la burbuja era lo suficientemente alta como para derretir acero, como se vio en un experimento realizado en 2012; la temperatura dentro de la burbuja cuando colapsó alcanzó unos 12.000 kelvin. El interés en la sonoluminiscencia se renovó cuando se postuló una temperatura interna de dicha burbuja muy por encima de un millón de kelvins. Esta temperatura hasta ahora no está probada de manera concluyente; más bien, experimentos recientes indican temperaturas de alrededor de 20 000 K (19 700 °C; 35 500 °F).

Propiedades

Imagen de larga exposición de sonoluminiscencia multi-bubble creada por un cuerno ultrasónico de alta intensidad inmerso en un beaker de líquido

La sonoluminiscencia puede ocurrir cuando una onda de sonido 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 a través de 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 manera 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 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 está contenida la burbuja.

Algunos datos sobre la sonoluminiscencia:

• La luz que brota de las burbujas dura entre 35 y unos pocos cientos de picos de largo, con intensidades pico del orden de 1–10 mW.
• Las burbujas son muy pequeñas cuando emiten luz -alrededor de 1 micímetro de diámetro- dependiendo del fluido ambiente (por ejemplo, agua) y el contenido de gas de la burbuja (por ejemplo, aire atmosférico).
• Los pulsos sonoluminiscencia de una sola burbuja pueden tener períodos y posiciones muy estables. De hecho, la frecuencia de los flashes de luz puede ser más estable que la estabilidad de frecuencia nominal del oscilador haciendo que las ondas de sonido que conducen. Sin embargo, los análisis de estabilidad de la burbuja muestran que la burbuja en sí misma sufre importantes inestabilidades geométricas, debido, por ejemplo, a las fuerzas Bjerknes y a las inestabilidades Rayleigh-Taylor.
• La adición de una pequeña cantidad de gas noble (como helio, argón o xenón) al gas en la burbuja aumenta la intensidad de la luz emitida.

Las mediciones espectrales han dado temperaturas de burbuja en el rango de 2300 K a 5100 K, las temperaturas exactas dependen de las condiciones experimentales, incluida la composición del líquido y el gas. 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. Usando burbujas de argón en ácido sulfúrico, los datos muestran la presencia de oxígeno molecular ionizado O₂⁺, monóxido de azufre y argón atómico que puebla estados excitados de alta energía, lo que confirma una hipótesis de que las burbujas tienen un núcleo de plasma caliente. La energía de ionización y excitación de los cationes de dioxigenilo, que observaron, es de 18 electronvoltios. A partir de esto, concluyen que las temperaturas centrales alcanzan al menos 20.000 kelvin, más calientes que la superficie del sol.

Ecuación de Rayleigh-Plesset

La dinámica del movimiento de la burbuja se caracteriza en una primera aproximación por la ecuación de Rayleigh-Plesset (llamada así por Lord Rayleigh y Milton Plesset):

RR.. +32RÍ Í 2=1*** *** ()PJUEGO JUEGO ()t)− − P0()t)− − 4μ μ RÍ Í R− − 2γ γ R){displaystyle R{ddot {R}+{frac {3}{2}{dot {R}} {2}={frac {1}{rho }left(P_{infty }(t)-P_{0}(t)-4mu {frac {dot {R} {R} {fnMic {2gamma} - Sí.

Esta es una ecuación aproximada que se deriva de las ecuaciones Navier-Stokes (escrito en el sistema de coordenadas esféricas) y describe el movimiento del radio de la burbuja R como función del tiempo t. Aquí, μ es la viscosidad, PJUEGO JUEGO ()t){displaystyle P_{infty}(t)} es la presión externa infinitamente lejos de la burbuja, P0()t){displaystyle P_{0}(t)} es la presión interna de la burbuja, *** *** {displaystyle rho } es la densidad líquida, y γ es la tensión superficial. Los sobredos representan derivados del tiempo. Esta ecuación, aunque aproximada, ha demostrado dar buenas estimaciones sobre el movimiento de la burbuja bajo el campo acústicamente impulsado 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 burbujas supera la velocidad del sonido del gas dentro de la burbuja. Por lo tanto, se necesita un análisis más detallado del movimiento de la burbuja más allá de Rayleigh-Plesset para explorar la energía adicional centrándose en que una onda de choque formada internamente podría producir. En el caso estático, la ecuación Rayleigh-Plesset simplifica, dando la ecuación Young-Laplace.

Mecanismo del fenómeno

Se desconoce el mecanismo del fenómeno de la sonoluminiscencia. Las hipótesis incluyen: punto de acceso, radiación de bremsstrahlung, radiación inducida por colisión y descargas de corona, luz no clásica, tunelización de protones, chorros electrodinámicos y chorros fractoluminiscentes (ahora en gran parte desacreditados debido a evidencia experimental contraria).

De izquierda a derecha: aparición de burbujas, lenta expansión, rápida y repentina contracción, emisión de luz

En 2002, M. Brenner, S. Hilgenfeldt y D. Lohse publicaron una revisión de 60 páginas que contiene una explicación detallada del mecanismo. 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 la 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 entonces comenzará a emitir luz. La emisión de luz de 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 alta presión y alta temperatura, alcanzando alrededor de 10.000 kelvins en el interior de la burbuja, provocando la ionización de una pequeña fracción del gas noble presente. La cantidad ionizada es lo suficientemente pequeña para que la burbuja permanezca transparente, lo que permite la emisión de volumen; la emisión superficial 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 los átomos neutros, provocando una radiación de bremsstrahlung térmica. A medida que la onda golpea un canal 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 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, tiempo versus longitud de onda) que coinciden con los resultados experimentales con errores no mayores de lo esperado debido a algunas simplificaciones (p. ej., suponer una temperatura uniforme en toda la burbuja), por lo que parece que el fenómeno de la sonoluminiscencia se explica al menos aproximadamente, aunque algunos detalles del proceso permanecen oscuros.

Cualquier discusión sobre la sonoluminiscencia debe incluir un análisis detallado de la metaestabilidad. La sonoluminiscencia a este respecto es lo que se denomina físicamente un fenómeno acotado, lo que significa que la sonoluminiscencia existe en una región acotada del espacio de parámetros de la burbuja; siendo un campo magnético acoplado uno de tales parámetros. Los aspectos magnéticos de la sonoluminiscencia están muy bien documentados.

Otras propuestas

Explicaciones cuánticas

Una hipótesis inusualmente exótica de la sonoluminiscencia, que ha recibido mucha atención popular, es la hipótesis de la energía de Casimir sugerida por el célebre físico Julian Schwinger y considerada más a fondo en un artículo de Claudia Eberlein 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. De acuerdo con 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 el efecto Casimir. Se ha argumentado que la sonoluminiscencia libera una cantidad de energía demasiado grande y libera la energía en una escala de tiempo demasiado corta para ser consistente con la explicación de la energía del vacío, aunque otras fuentes creíbles argumentan que la explicación de la energía del vacío aún podría ser correcta.

Reacciones nucleares

Algunos han argumentado que la ecuación de Rayleigh-Plesset descrita anteriormente no es fiable 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 kelvins y especulan que las temperaturas podrían alcanzar los millones de kelvins. Temperaturas tan altas podrían causar 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 R. P. Taleyarkhan con acetona deuterada mostraron mediciones de tritio y salida de neutrones consistentes con la fusión. Sin embargo, los artículos se consideraron de baja calidad y hubo dudas por un informe sobre la mala conducta científica del autor. Esto hizo que el informe perdiera credibilidad entre la comunidad científica.

El 27 de enero de 2006, investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer afirmaron haber producido fusión en experimentos de sonoluminiscencia.

Sonoluminiscencia biológica

El camarón pistola (también llamado camarón mordedor) produce un tipo de luminiscencia de cavitación a partir de una burbuja que se derrumba provocada por el rápido chasquido de 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 decibelios. 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 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 se le denominó caprichosamente "camarónluminiscencia" tras su descubrimiento en 2001. Posteriormente se descubrió que otro grupo de crustáceos, el camarón mantis, contiene especies cuyas extremidades anteriores en forma de maza pueden golpear tan rápido y con tanta fuerza como para inducir burbujas de cavitación sonoluminiscentes al impactar. También se informó que un dispositivo mecánico con una garra de pargo impresa en 3D de cinco veces el tamaño real emite luz de manera similar. Este diseño bioinspirado se basó en la muda de la garra del pargo de camarón que se rompe de un Alpheus formosus, el camarón rayado.