Triboluminiscencia

La 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 comprende 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). Se puede observar triboluminiscencia al romper cristales de azúcar y pelar cintas adhesivas.

Triboluminiscencia del salicilato de nicotina-L

La 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 .

Un sonajero ceremonial de cuero crudo Uncompahgre Ute Buffalo relleno de cristales de cuarzo. Los destellos de luz son visibles cuando los cristales de cuarzo se someten a esfuerzos mecánicos en la oscuridad.

Pueblo indígena Uncompahgre Ute

El pueblo indígena Uncompahgre Ute del centro de Colorado es uno de los primeros grupos documentados de personas en el mundo al que se le atribuye la aplicación de mecanoluminiscencia que involucra el uso de cristales de cuarzo para generar luz. [1] [2] Los Ute construyeron cascabeles ceremoniales especiales hechos de cuero crudo de búfalo que rellenaron con cristales de cuarzo transparente recogidos de las montañas de Colorado y Utah. Cuando los cascabeles se agitaban por la noche durante las ceremonias, la fricción y la tensión mecánica de los cristales de cuarzo que chocaban entre sí producían destellos de luz visibles a través de la piel traslúcida de búfalo.

Descripciones posteriores

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 confitado o simple, si es duro, brillará cuando se rompa o raspe en la oscuridad". [3] El científico Robert Boyle también informó sobre algunos de sus trabajos sobre triboluminiscencia en 1663. A finales 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 utilizando un dispositivo conocido como pellizcos de azúcar . La gente empezó a notar que a medida que se "pellizcaba" el azúcar con poca luz, se veían pequeñas explosiones 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. Siempre que el mercurio se deslizara por el tubo de vidrio, el espacio vacío sobre el mercurio brillaría. Mientras investigaban este fenómeno, los investigadores descubrieron que la electricidad estática podría hacer que el aire a baja presión brille. Este descubrimiento reveló la posibilidad de la iluminación eléctrica.

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 y provoca un destello de luz. La investigación sugiere [ cita requerida ] que los cristales que muestran triboluminiscencia deben carecer de simetría (por lo tanto, ser anisotrópicos para permitir la separación de cargas) 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 terbio hexakis (antipirina). [4] 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. [5]

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Triboluminiscencia en cuarzo

Un diamante puede comenzar a brillar mientras se frota. Esto sucede ocasionalmente con los diamantes mientras se muele una faceta o se aserra el diamante durante el proceso de corte . Los diamantes pueden tener un color azul o rojo fluorescente. Algunos otros minerales, como el cuarzo , son triboluminiscentes y emiten luz cuando se frotan. [6]

La cinta normal sensible a la presión (" cinta adhesiva ") muestra una línea brillante donde el extremo de la cinta se separa del rollo. [7] En 1953, los científicos soviéticos observaron que al desenrollar un rollo de cinta en el vacío se producían rayos X. [8] El mecanismo de generación de rayos X se estudió más a fondo en 2008. [9] [10] [11] También se han observado emisiones de rayos X similares con metales. [12]

Además, cuando se trituran los cristales de azúcar, se crean pequeños campos eléctricos que separan las cargas positivas y negativas que luego crean chispas mientras intentan reunirse. Wint-O-Green Life Savers trabajo especialmente bien para la creación de tales chispas, porque gaulteria aceite ( salicilato de metilo ) es fluorescente y convierte la luz ultravioleta en luz azul . [13] [14]

La triboluminiscencia puede ocurrir cuando una gota de Prince Rupert es destrozada por una fuerza poderosa, como una bala. Un destello brillante de luz blanca puede avanzar antes de la rotura desde la cabeza de la gota hacia la cola. [15] [ referencia circular ]

La triboluminiscencia es un fenómeno biológico que se observa en la deformación mecánica y la electrización por contacto de la superficie epidérmica de los tejidos óseos y blandos, al masticar los alimentos, al rozar las articulaciones de las vértebras, durante las relaciones sexuales y durante la circulación sanguínea . [16] [17]

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

Abrir un sobre sellado con pegamento polimérico genera una luz que puede verse como destellos azules en la oscuridad.

La fractoluminiscencia se utiliza a menudo como sinónimo de triboluminiscencia. [18] Es la emisión de luz de la fractura (en lugar del roce) de un cristal , pero la fractura a menudo ocurre con el roce. Dependiendo de la composición atómica y molecular del cristal, cuando el cristal se fractura, puede ocurrir una separación de carga que hace que un lado del cristal fracturado esté cargado positivamente y el otro lado cargado negativamente. Al igual que en la triboluminiscencia, si la separación de carga da como resultado un potencial eléctrico suficientemente grande , puede producirse una descarga a través del espacio y a través del gas del baño entre las interfaces. El potencial al que esto ocurre depende de las propiedades dieléctricas del gas del baño. [19]

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. También se han explorado y confirmado las emisiones de EMR de metales y aleaciones. Molotskii presentó un mecanismo de dislocación para este tipo de emisión EMR. [20] Recientemente, Srilakshmi y Misra informaron sobre un fenómeno adicional de EMR secundaria durante la deformación plástica y la propagación de grietas en metales y aleaciones no recubiertos y recubiertos de metal. [ cita requerida ]

Teoría

La EMR durante la deformación microplástica y la propagación de grietas de varios metales y aleaciones y la generación transitoria de campos magnéticos durante el estrechamiento en metales ferromagnéticos fueron reportados por Misra (1973-75), que han sido confirmados y explorados por varios investigadores. [ cita requerida ] Tudik y Valuev (1980) fueron capaces de 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 no recubiertos y recubiertos de metal. Si un material sólido se somete a tensiones de gran amplitud, que pueden provocar deformación plástica y fractura, se producen emisiones como térmicas, acústicas, 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 EMR se vuelve importante.

Generación de Rayos X

En un vacío moderado, la cinta desprendible generaba rayos X suficientes para radiografiar un dedo humano. [21]

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 esfuerzo aplicado, la velocidad de deformación, la oxidación y la corrosión. La EMR inducida por deformación se puede dividir en tres categorías: efectos en materiales de cristales iónicos; 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. [22] La amplitud del pulso EMR aumenta siempre que la grieta continúe creciendo a medida que se rompen nuevos enlaces atómicos y conduce a EMR. El pulso comienza a decaer cuando se detiene el agrietamiento. [23] Las observaciones de los experimentos mostraron que las señales EMR emitidas contienen componentes de frecuencia mixta.

Métodos de prueba para medir EMR

El método de prueba de tracción más extendido se utiliza para caracterizar las propiedades mecánicas de los materiales. A partir de cualquier registro completo de ensayos de tracción, se puede obtener información importante sobre las propiedades elásticas del material, el carácter y el alcance de la deformación plástica, el rendimiento y las resistencias a la tracción y la tenacidad. La información que puede obtenerse 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 experimentos, se puede demostrar que la formación de grietas por tracción excita una EMR más intensa que la agrietamiento por cizallamiento, aumentando la elasticidad, la resistencia y la tasa de carga durante la carga uniaxial y aumenta la amplitud. La relación de Poisson es un parámetro clave para la caracterización EMR durante la compresión triaxial. [24] 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 las grandes deformaciones. Si se puede identificar un elemento que proporcione la máxima respuesta EMR con un estímulo mecánico mínimo, 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 poderosa para la detección y prevención de fallas.

Orel VE inventó el dispositivo para medir linfocitos y sangre completa EMR en diagnósticos de laboratorio . [25] [26] [27]

  • Piezoelectricidad
  • Luz de terremoto
  • Lista de fuentes de luz
  • Sonoluminiscencia

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  19. ^ Nota: Este fenómeno se puede demostrar quitando hielo de un congelador en una habitación oscura, en condiciones en las que el hielo hace sonidos de crujido debido a una expansión térmica repentina. Si la luz ambiental es lo suficientemente tenue, se pueden observar destellos de luz blanca del hielo que se agrieta.
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  • Discusión de triboluminiscencia en Tribo Net
  • Hacer brillar la cinta adhesiva en YouTube (2010)
  • ¿Las bandaids brillan cuando se abren? - Misterios cotidianos en Youtube (2018)