Coulomb -eksplosjon - Coulomb explosion
Coulombiske 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 maskinering, og forekommer naturlig i visse høyenergireaksjoner.
Mekanisme
Den Coulomb-frastøting av partikler som har den samme elektriske ladning kan bryte bindingene som holder faste stoffer sammen. Når det er gjort med en smal laserstråle, eksploderer en liten mengde faststoff til 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 opprinnelige oscillerende fonon -faste klynge -bindingsbevegelsene som også er karakteristisk for diamantsyntesen .
Med sin lave masse fjernes ytre valenselektroner som er ansvarlige for kjemisk binding lett fra atomer, og etterlater dem positivt ladet. Gitt en gjensidig frastøtende tilstand mellom atomer hvis kjemiske bindinger brytes, eksploderer materialet til en liten plasmasky av energiske ioner med høyere hastigheter enn man ser i termiske utslipp.
Teknologisk bruk
En Coulomb-eksplosjon er et "kaldt" alternativ til den dominerende laseretsingsteknikken for termisk ablasjon , som er avhengig av lokal oppvarming, smelting og fordampning av molekyler og atomer ved bruk av mindre intense stråler. En kort puls ned til nanosekundregimet er tilstrekkelig til å lokalisere termisk ablasjon - før varmen ledes langt, er energitilførselen (pulsen) avsluttet. Ikke desto mindre kan termisk ablaterte materialer forsegle porene som er viktige for katalyse eller batteridrift, og omkrystallisere eller til og med brenne substratet, og dermed endre de fysiske og kjemiske egenskapene på etsestedet. I kontrast forblir selv lett skum uforseglet etter ablasjon ved Coulomb -eksplosjon.
Coulomb-eksplosjoner for industriell maskinering er laget med ultrakorte (picosekund eller femtosekunder) laserpulser. De enorme stråleintensitetene som kreves (10–400 terawatt per kvadratcentimeter terskler, avhengig av materiale) er bare praktiske for å generere, forme og levere i svært korte øyeblikk. Coulomb eksplosjonsetsing kan brukes i ethvert materiale til å bore hull, fjerne overflatelag og tekstur og mikrostrukturoverflater; f.eks. for å kontrollere blekkmengden i trykkpresser.
Utseende i naturen
Høyhastighets kameraavbildning av alkalimetaller som eksploderer i vann har antydet at eksplosjonen er en coulomb -eksplosjon.
Under en kjernefysisk eksplosjon basert på fisjon av uran, avgis 167 MeV i form av en coulombisk eksplosjon mellom hver tidligere urankjerne, den frastøtende elektrostatiske energien mellom de to fisjonens datterkjernene , oversetter til kinetisk energi til fisjonproduktene som resulterer i både hoveddriveren for svartkroppsstrålingen som raskt genererer den varme tette plasma-/ kjernefysiske ildkuleformasjonen og dermed også både senere eksplosjon og termiske effekter.
Minst en vitenskapelig artikkel antyder at coulomb -eksplosjon (spesifikt elektrostatisk frastøtning av dissosierte karboksylgrupper av polyglutaminsyre) kan være en del av den eksplosive virkningen av nematocytter, de stikkende cellene i vannlevende organismer i phylum Cnidaria .
Coulomb Explosion Imaging
Molekyler holdes sammen av en ladningsbalanse mellom negative elektroner og positive kjerner. Når flere elektroner blir utvist, enten ved laserbestråling eller bombardering ved bruk av høyt ladede ioner, flyr de gjenværende, gjensidig frastøtende, kjernene fra hverandre i en Coulomb -eksplosjon. Strukturen til enkle gassfasemolekyler kan bestemmes ved å spore fragmentbanene.