Coulomb-eksplosjon
Coulomb-eksplosjoner er en mekanisme for å transformere energi i intense elektromagnetiske felt til atombevegelse og er dermed nyttige for kontrollert ødeleggelse av relativt robuste molekyler. Eksplosjonene er en fremtredende teknikk i laserbasert bearbeiding, og vises naturlig i visse høyenergireaksjoner.
Mekanisme[rediger | rediger kilde]
Coulomb frastøting av partikler med samme elektriske ladning kan bryte bindingen som holder faststoff sammen. Når en smal laserstråle benyttes, eksploderer en liten mengde fast stoff i et plasma av ioniserte atompartikler. Det kan vises at Coulomb-eksplosjonen skjer i det samme kritiske parameterregimet som overstrålingsfaseovergangen, dvs. når de destabiliserende interaksjonene blir overveldende og dominerer over de fundamentale oscillerende fonon-faste klyngebindende bevegelser som også er karakteristisk for diamantsyntesen.
Med sin lave masse blir de ytre valenselektronene som er ansvarlige for kjemisk binding lett fjernet fra atomer, og etterlater dem positivt ladede. Gitt en gjensidig frastøtende tilstand mellom atomer hvis kjemiske bindinger er brutt, eksploderer materialet i en liten plasmasky av energiske ioner med høyere hastigheter enn sett i termisk utslipp.[1]
Teknologisk bruk[rediger | rediger kilde]
En Coulomb-eksplosjon er et "kaldt" alternativ til den dominerende laseretsningsteknikken for termisk ablasjon, som avhenger av lokal oppvarming, smelting og fordampning av molekyler og atomer ved bruk av mindre intense stråler. Puls korthet ned til nanosekundregimet er tilstrekkelig til å lokalisere termisk ablasjon - før varmen ledes langt, er energiinngangen (pulsen) avsluttet. Ikke desto mindre kan termisk ablaterte materialer tette porene som er viktige for katalyse eller batteridrift, og omkrystallisere eller til og med brenne underlaget, og dermed endre de fysiske og kjemiske egenskapene på etsestedet. Derimot forblir til og med lette skum uforseglet etter ablasjon ved Coulomb-eksplosjon.
Coulomb-eksplosjoner for industriell maskinering er laget med ultrakorte (picosekunder eller femtosekunder) laserpulser. De enorme stråleintensitetene som kreves (10–400 terawatt per kvadratcentimeter, avhengig av materiale) er bare praktiske for å generere, forme og levere i veldig korte øyeblikk. Coulomb-eksplosjonsetsing kan brukes i hvilket som helst materiale til bore hull, fjerne overflatelag og overflater av struktur og mikrostruktur; for eksempel å kontrollere blekkbelastning i trykkpresser.[2]
I naturen[rediger | rediger kilde]
Høyhastighets kameraavbildning av alkalimetaller som eksploderer i vann har antydet at eksplosjonen er en coulomb-eksplosjon.[3][4]
Under en kjernefysisk eksplosjon basert på fisjon av uran, sendes 167 MeV ut i form av en coulomb-eksplosjon mellom hver tidligere urankjerne, den frastøtende elektrostatiske energien mellom de to fisjonens datterkjerner, oversettes til den kinetiske energien til fisjonsproduktene som resulterer i både den primære driveren for blackbody-strålingen som raskt genererer den varme tette plasma/kjernefysiske ildkuleformasjonen og dermed også både senere eksplosjons- og termiske effekter.[5][6]
Minst ett vitenskapelig papir antyder at coulomb-eksplosjon (spesifikt elektrostatisk frastøting av dissosierte karboksylgrupper av polyglutaminsyre) kan være en del av den eksplosive virkningen av nematocytter, de stikkende cellene i vannorganismer i phylum Cnidaria.[7]
Referanser[rediger | rediger kilde]
- ^ Hashida, M.; Mishima, H.; Tokita, S.; Sakabe, S. (20. juli 2009). «Non-thermal ablation of expanded polytetrafluoroethylene with an intense femtosecond-pulse laser». Optics Express. 15 (engelsk). 17: 13116. ISSN 1094-4087. doi:10.1364/OE.17.013116. Besøkt 11. mai 2021.
- ^ GmbH, Dirk Müller, Lumera Laser. «Picosecond Lasers for High-Quality Industrial Micromachining». www.photonics.com. Besøkt 11. mai 2021.
- ^ Mason, Philip E.; Uhlig, Frank; Vaněk, Václav; Buttersack, Tillmann; Bauerecker, Sigurd; Jungwirth, Pavel (Mars 2015). «Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with water». Nature Chemistry. 3 (engelsk). 7: 250–254. ISSN 1755-4330. doi:10.1038/nchem.2161. Besøkt 11. mai 2021.
- ^ magazine, Philip Ball,Nature. «Sodium's Explosive Secrets Revealed». Scientific American (engelsk). Besøkt 11. mai 2021.
- ^ Alt, Leonard A.; Forcino, Douglas; Walker, Richard I. (2000). Nuclear events and their consequences (PDF). ISBN 9780160591341. Arkivert fra originalen (PDF) 25. januar 2017. Besøkt 11. mai 2021. «approximately 82% of the fission energy is released as kinetic energy of the two large fission fragments. These fragments, being massive and highly charged particles, interact readily with matter. They transfer their energy quickly to the surrounding weapon materials, which rapidly become heated»
- ^ «Nuclear Engineering Overview» (PDF). Technical University Vienna. Arkivert fra originalen (PDF) . «The various energies emitted per fission event pg 4. "167 MeV" is emitted by means of the repulsive electrostatic energy between the 2 daughter nuclei, which takes the form of the "kinetic energy" of the fission products, this kinetic energy results in both later blast and thermal effects. "5 MeV" is released in prompt or initial gamma radiation, "5 MeV" in prompt neutron radiation (99.36% of total), "7 MeV" in delayed neutron energy (0.64%) and "13 MeV" in beta decay and gamma decay(residual radiation)»
- ^ Berking, Stefan; Herrmann, Klaus (September 2006). «Formation and discharge of nematocysts is controlled by a proton gradient across the cyst membrane». Helgoland Marine Research. 3 (engelsk). 60: 180–188. ISSN 1438-387X. doi:10.1007/s10152-005-0019-y. Besøkt 11. mai 2021.