Triboluminiscencia

Triboluminiscencia de la nicotina L-Salicylate

triboluminiscencia es un fenómeno en el que se genera luz cuando un material se separa, rasga, raya, aplasta o frota mecánicamente (ver tribología). El fenómeno no se entiende completamente, pero parece ser causado por la separación y reunificación de cargas eléctricas estáticas. El término proviene del griego τρίβειν ("frotar"; ver tribología) y del latín lumen (luz). La triboluminiscencia se puede observar cuando se rompen cristales de azúcar y se pelan cintas adhesivas.

Triboluminiscencia se usa a menudo como sinónimo de fractoluminiscencia (un término que a veces se usa cuando se refiere solo a la luz emitida por cristales fracturados). La triboluminiscencia se diferencia de la piezoluminiscencia en que un material piezoluminiscente emite luz cuando se deforma, en lugar de romperse. Estos son ejemplos de mecanoluminiscencia, que es la luminiscencia resultante de cualquier acción mecánica sobre un sólido.

Historia

Uncompahgre Ute Buffalo crudo rattle ceremonial lleno de cristales de cuarzo. Los rayos de luz son visibles cuando los cristales de cuarzo son sometidos al estrés mecánico en la oscuridad.

Indígenas Uncompahgre Ute

El pueblo indígena Uncompahgre Ute del centro de Colorado es uno de los primeros grupos de personas documentados en el mundo al que se le atribuye la aplicación de mecanoluminiscencia que involucra el uso de cristales de cuarzo para generar luz. Los ute construyeron sonajeros ceremoniales especiales hechos de cuero de búfalo que llenaron con cristales de cuarzo transparentes recolectados en las montañas de Colorado y Utah. Cuando los sonajeros se agitaban por la noche durante las ceremonias, la fricción y la tensión mecánica de los cristales de cuarzo al chocar entre sí producían destellos de luz visibles a través de la piel de búfalo translúcida.

Primeros informes científicos

La primera observación registrada se atribuye al erudito inglés Francis Bacon cuando registró en su Novum Organum de 1620 que "Es bien sabido que todo el azúcar, ya sea confitada o natural, si es duro, brillará cuando se rompa o raspe en la oscuridad." El científico Robert Boyle también informó sobre algunos de sus trabajos sobre la triboluminiscencia en 1663. A fines de la década de 1790, la producción de azúcar comenzó a producir cristales de azúcar más refinados. Estos cristales se formaron en un gran cono sólido para su transporte y venta. Este cono sólido de azúcar tuvo que romperse en trozos utilizables usando un dispositivo conocido como sugar nips. La gente comenzó a notar que a medida que el azúcar se "cortaba" en condiciones de poca luz, se veían pequeños estallidos de luz.

Un caso históricamente importante de triboluminiscencia ocurrió en París en 1675. El astrónomo Jean-Felix Picard observó que su barómetro brillaba en la oscuridad mientras lo llevaba. Su barómetro consistía en un tubo de vidrio que estaba parcialmente lleno de mercurio. Cada vez que el mercurio se deslizaba por el tubo de vidrio, el espacio vacío sobre el mercurio brillaba. Mientras investigaban este fenómeno, los investigadores descubrieron que la electricidad estática podía hacer que el aire a baja presión brillara. Este descubrimiento reveló la posibilidad de iluminación eléctrica.

Mecanismo de acción

Los científicos de materiales aún no han llegado a una comprensión completa del efecto, pero la teoría actual de la triboluminiscencia, basada en pruebas cristalográficas, espectroscópicas y otras pruebas experimentales, es que tras la fractura de materiales asimétricos, la carga se separa. Cuando las cargas se recombinan, la descarga eléctrica ioniza el aire circundante, provocando un destello de luz. La investigación sugiere además que los cristales que muestran triboluminiscencia deben carecer de simetría (por lo tanto, ser anisotrópicos para permitir la separación de carga) y ser malos conductores. Sin embargo, hay sustancias que rompen esta regla y que no poseen asimetría, pero muestran triboluminiscencia de todos modos, como el yoduro de hexakis (antipirina) terbio. Se cree que estos materiales contienen impurezas, que hacen que la sustancia sea localmente asimétrica.

El fenómeno biológico de la triboluminiscencia está condicionado por la recombinación de radicales libres durante la activación mecánica.

Ejemplos

En materiales comunes

Ciertos materiales y sustancias del hogar se pueden ver para exhibir la propiedad:

• La cinta normalizada sensible a la presión (" cinta de escocés") muestra una línea brillante donde el extremo de la cinta se está alejando del rollo. Los científicos soviéticos observaron en 1953 que desenrollar un rollo de cinta en un vacío produjo rayos X. En 2008 se estudió más a fondo el mecanismo de generación de rayos X. También se han observado emisiones similares de rayos X con metales.
• Abrir un sobre sellado con cola de polímero genera luz que se puede ver como flashes azules en la oscuridad.
• Cuando se trituran los cristales de azúcar, se crean pequeños campos eléctricos, separando cargas positivas y negativas que luego crean chispas mientras intentan reunirse. Wint-O-Green Life Savers trabaja especialmente bien para crear tales chispas, ya que el aceite de invierno (metil salicylate) es fluorescente y convierte la luz ultravioleta en luz azul.

Un diamante puede comenzar a brillar mientras se frota; esto sucede ocasionalmente con los diamantes mientras se talla una faceta o se aserra el diamante durante el proceso de corte. Los diamantes pueden emitir fluorescencia azul o roja. Algunos otros minerales, como el cuarzo, son triboluminiscentes y emiten luz cuando se frotan entre sí.

La triboluminiscencia puede ocurrir cuando un Prince Rupert's Drop es destrozado por una fuerza poderosa, como una bala. Un destello brillante de luz blanca puede proceder antes de la ruptura desde la cabeza de la gota hacia la cola.

La triboluminiscencia es un fenómeno biológico que se observa en la deformación mecánica y la electrificación por contacto de la superficie epidérmica de los tejidos óseos y blandos, al masticar alimentos, al rozar las articulaciones de las vértebras, durante las relaciones sexuales y durante la circulación sanguínea.

El corte abrasivo con chorro de agua de cerámica (por ejemplo, baldosas) crea un brillo amarillo/naranja en el punto de impacto del flujo a muy alta velocidad.

Químicos notables por su triboluminiscencia

• Europium tetrakis (dibenzoylmethide)triethylammonium emite flashes rojos particularmente brillantes sobre la destrucción de sus cristales.
• Triphenylphosphinebis(pyridine)thiocyanatocopper(I) emite una luz azul razonablemente fuerte cuando se fracturan los cristales. Esta luminiscencia no es tan extrema como la luminiscencia roja, sin embargo sigue siendo muy claramente visible al ojo desnudo en los ajustes estándar.
• El ácido N-Acetilantranilico emite una luz azul profunda cuando sus cristales se fracturan.

Fractoluminiscencia

Fractoluminiscencia se utiliza a menudo como sinónimo de triboluminiscencia. Es la emisión de luz de la fractura (en lugar del frotamiento) de un cristal, pero la fractura a menudo ocurre con el frotamiento. Dependiendo de la composición atómica y molecular del cristal, cuando el cristal se fractura puede ocurrir una separación de carga haciendo que un lado del cristal fracturado tenga una carga positiva y el otro lado una carga negativa. Al igual que en la triboluminiscencia, si la separación de carga da como resultado un potencial eléctrico lo suficientemente grande, puede ocurrir una descarga a través del espacio y a través del gas de baño entre las interfaces. El potencial al que esto ocurre depende de las propiedades dieléctricas del gas del baño.

Propagación de EMR durante la fracturación

Se ha estudiado la emisión de radiación electromagnética (EMR) durante la deformación plástica y la propagación de grietas en metales y rocas. Las emisiones EMR de metales y aleaciones también se han explorado y confirmado. Molotskii presentó un mecanismo de dislocación para este tipo de emisión de EMR. Recientemente, Srilakshmi y Misra informaron un fenómeno adicional de EMR secundario durante la deformación plástica y la propagación de grietas en metales y aleaciones sin recubrimiento y con recubrimiento metálico.

Teoría

Misra (1973–75) informó sobre EMR durante la deformación microplástica y la propagación de grietas de varios metales y aleaciones y la generación de campos magnéticos transitorios durante la formación de cuellos en metales ferromagnéticos, que han sido confirmados y explorados por varios investigadores. Tudik y Valuev (1980) pudieron medir la frecuencia EMR durante la fractura por tracción de hierro y aluminio en la región de 10^14 Hz mediante el uso de fotomultiplicadores. Srilakshmi y Misra (2005a) también informaron sobre un fenómeno adicional de radiación electromagnética secundaria en metales y aleaciones sin recubrimiento y con recubrimiento metálico. Si un material sólido se somete a tensiones de grandes amplitudes, que pueden causar deformación plástica y fractura, se producen emisiones térmicas, acústicas, de iones, exoemisiones. Con el descubrimiento de nuevos materiales y el avance en la instrumentación para medir los efectos de EMR, formación de grietas y fracturas; el efecto de las emisiones de EMR se vuelve importante.

Generación de Rayos X

En un vacío moderado, la cinta adhesiva generó rayos X suficientes para tomar una radiografía de un dedo humano.

EMR inducida por deformación

El estudio de la deformación es fundamental para el desarrollo de nuevos materiales. La deformación de los metales depende de la temperatura, el tipo de tensión aplicada, la velocidad de deformación, la oxidación y la corrosión. La EMR inducida por deformación se puede dividir en tres categorías: efectos en materiales de cristal iónico; efectos en rocas y granitos; y efectos en metales y aleaciones. La emisión de EMR depende de la orientación de los granos en los cristales individuales, ya que las propiedades del material son diferentes en diferentes direcciones. La amplitud del pulso EMR aumenta mientras la grieta continúa creciendo a medida que se rompen nuevos enlaces atómicos y conduce a EMR. El pulso comienza a decaer a medida que se detiene el agrietamiento. Las observaciones de los experimentos mostraron que las señales EMR emitidas contienen componentes de frecuencia mixtos.

Métodos de prueba para medir EMR

El método de ensayo de tracción más utilizado se utiliza para caracterizar las propiedades mecánicas de los materiales. A partir de cualquier registro completo de ensayo de tracción, se puede obtener información importante sobre las propiedades elásticas del material, el carácter y el alcance de la deformación plástica, el límite elástico y la resistencia a la tracción y la tenacidad. La información que se puede obtener de una prueba justifica el uso extensivo de la prueba de tracción en la investigación de materiales de ingeniería. Por lo tanto, las investigaciones de las emisiones de EMR se basan principalmente en la prueba de tracción de las muestras. A partir de los experimentos, se puede demostrar que la formación de fisuras por tracción provoca una EMR más intensa que la fisuración por cizallamiento, lo que aumenta la elasticidad, la resistencia y la tasa de carga durante los aumentos de amplitud de la carga uniaxial. La relación de Poisson es un parámetro clave para la caracterización de EMR durante la compresión triaxial. Si la relación de Poisson es menor, es más difícil que el material se deforme transversalmente y, por lo tanto, mayor es la probabilidad de nuevas fracturas. El mecanismo de deformación plástica es muy importante para el funcionamiento seguro de cualquier componente en condiciones dinámicas.

Usos y aplicaciones

Este EMR se puede utilizar para desarrollar sensores/materiales inteligentes. Esta técnica también se puede implementar en la técnica de pulvimetalurgia. EMR es una de estas emisiones que acompañan a grandes deformaciones. Si se puede identificar un elemento que brinde la máxima respuesta EMR con un mínimo estímulo mecánico, entonces se puede incorporar al material principal y así establecer nuevas tendencias en el desarrollo de material inteligente. El EMR inducido por deformación puede servir como una herramienta sólida para la detección y prevención de fallas.

Orel V. E. inventó el dispositivo para medir EMR de sangre entera y linfocitos en diagnósticos de laboratorio.