Explosão de Coulomb - Coulomb explosion

Animação da explosão de Coulomb de aglomerado de átomos ionizados pelo campo de laser. O nível de matiz da cor é proporcional à carga (maior) dos átomos. Elétrons (menores) nesta escala de tempo são vistos apenas estroboscopicamente e o nível de matiz é sua energia cinética

As explosões colombianas são um mecanismo para transformar energia em campos eletromagnéticos intensos em movimento atômico e, portanto, são úteis para a destruição controlada de moléculas relativamente robustas. As explosões são uma técnica proeminente na usinagem a laser e aparecem naturalmente em certas reações de alta energia.

Mecanismo

A repulsão colombiana de partículas com a mesma carga elétrica pode quebrar as ligações que mantêm os sólidos unidos. Quando feito com um feixe de laser estreito, uma pequena quantidade de sólido explode em um plasma de partículas atômicas ionizadas . Pode ser mostrado que a explosão de Coulomb ocorre no mesmo regime de parâmetro crítico que a transição de fase superradiante, isto é, quando as interações desestabilizadoras se tornam opressoras e dominam os movimentos oscilatórios nativos de ligação do aglomerado sólido de fônons, que também são característicos para a síntese de diamante .

Com sua baixa massa, os elétrons de valência externa responsáveis ​​pela ligação química são facilmente removidos dos átomos, deixando-os carregados positivamente. Dado um estado mutuamente repulsivo entre átomos cujas ligações químicas são quebradas, o material explode em uma pequena nuvem de plasma de íons energéticos com velocidades mais altas do que as vistas na emissão térmica.

Uso tecnológico

Uma explosão de Coulomb é uma alternativa "fria" à técnica dominante de gravação a laser de ablação térmica , que depende do aquecimento local, derretimento e vaporização de moléculas e átomos usando feixes menos intensos. A brevidade do pulso até o regime de nanossegundos é suficiente para localizar a ablação térmica - antes que o calor seja conduzido para longe, a entrada de energia (pulso) termina. No entanto, materiais ablacionados termicamente podem selar poros importantes na catálise ou operação de bateria e recristalizar ou mesmo queimar o substrato, alterando assim as propriedades físicas e químicas no local de corrosão. Em contraste, até mesmo espumas leves permanecem não seladas após a ablação pela explosão de Coulomb.

As explosões de Coulomb para usinagem industrial são feitas com pulsos de laser ultracurtos (picossegundos ou femtossegundos). As enormes intensidades de feixe necessárias (limites de 10-400 terawatts por centímetro quadrado, dependendo do material) são práticas apenas para gerar, moldar e entregar por instantes de tempo muito breves. A gravação por explosão de Coulomb pode ser usada em qualquer material para perfurar orifícios, remover camadas superficiais e texturizar e microestruturar superfícies; por exemplo, para controlar o carregamento de tinta em impressoras.

Aparência na natureza

Imagens de câmeras de alta velocidade de metais alcalinos explodindo na água sugeriram que a explosão é uma explosão coulomb.

Durante uma explosão nuclear baseada na fissão do urânio, 167 MeV é emitido na forma de uma explosão coulômbica entre cada núcleo anterior de urânio, a energia eletrostática repulsiva entre os dois núcleos filhos da fissão , se traduz na energia cinética dos produtos da fissão que resulta no driver primário da radiação do corpo negro que rapidamente gera a formação de plasma denso quente / bola de fogo nuclear e, portanto, também a explosão posterior e os efeitos térmicos.

Pelo menos um artigo científico sugere que a explosão coulomb (especificamente, a repulsão eletrostática de grupos carboxila dissociados do ácido poliglutâmico) pode ser parte da ação explosiva de nematócitos, as células urticantes em organismos aquáticos do filo Cnidaria .

Coulomb Explosion Imaging

As moléculas são mantidas juntas por um equilíbrio de carga entre elétrons negativos e núcleos positivos. Quando múltiplos elétrons são expelidos, seja por irradiação de laser ou bombardeio usando íons altamente carregados, os núcleos restantes, mutuamente repulsivos, se separam em uma explosão de Coulomb. A estrutura de moléculas de fase gasosa simples pode ser determinada rastreando as trajetórias dos fragmentos.

Veja também

Referências