Coulomb-Explosion - Coulomb explosion
Coulomb-Explosionen sind ein Mechanismus zur Umwandlung von Energie in intensiven elektromagnetischen Feldern in atomare Bewegung und sind daher nützlich für die kontrollierte Zerstörung relativ robuster Moleküle. Die Explosionen sind eine herausragende Technik bei der laserbasierten Bearbeitung und treten natürlich bei bestimmten hochenergetischen Reaktionen auf.
Mechanismus
Die Coulombsche Abstoßung von Teilchen mit gleicher elektrischer Ladung kann die Bindungen aufbrechen, die Festkörper zusammenhalten. Mit einem schmalen Laserstrahl explodiert eine kleine Menge Feststoff in ein Plasma aus ionisierten Atomteilchen. Es kann gezeigt werden, dass die Coulomb-Explosion im gleichen kritischen Parameterbereich wie der Superradiant-Phasenübergang stattfindet, dh wenn die destabilisierenden Wechselwirkungen überwältigend werden und über die nativen oszillierenden Phononen- Feststoffcluster-Bindungsbewegungen dominieren, was auch für die Diamantsynthese charakteristisch ist .
Aufgrund ihrer geringen Masse werden die für die chemische Bindung verantwortlichen äußeren Valenzelektronen leicht von den Atomen abgezogen, sodass sie positiv geladen sind. Bei einem sich gegenseitig abstoßenden Zustand zwischen Atomen, deren chemische Bindungen aufgebrochen sind, explodiert das Material zu einer kleinen Plasmawolke aus energetischen Ionen mit höheren Geschwindigkeiten als bei der thermischen Emission.
Technologische Nutzung
Eine Coulomb-Explosion ist eine "kalte" Alternative zur vorherrschenden Laserätztechnik der thermischen Ablation , die von lokaler Erwärmung, Schmelzen und Verdampfung von Molekülen und Atomen mit weniger intensiven Strahlen abhängt. Eine Pulskurzheit bis in den Nanosekundenbereich reicht aus, um den thermischen Abtrag zu lokalisieren – bevor die Wärme weit geleitet wird, ist der Energieeintrag (Puls) beendet. Nichtsdestotrotz können thermisch ablatierte Materialien Poren versiegeln, die für die Katalyse oder den Batteriebetrieb wichtig sind, und das Substrat rekristallisieren oder sogar verbrennen, wodurch die physikalischen und chemischen Eigenschaften an der Ätzstelle verändert werden. Im Gegensatz dazu bleiben selbst leichte Schäume nach der Ablation durch Coulomb-Explosion unversiegelt.
Coulomb-Explosionen für die industrielle Bearbeitung werden mit ultrakurzen (Pikosekunden oder Femtosekunden) Laserpulsen erzeugt. Die erforderlichen enormen Strahlintensitäten (10–400 Terawatt pro Quadratzentimeter Schwellen, je nach Material) sind nur für sehr kurze Zeiträume sinnvoll zu erzeugen, zu formen und zu liefern. Coulomb-Explosionsätzen kann in jedem Material verwendet werden, um Löcher zu bohren, Oberflächenschichten zu entfernen und Oberflächen zu texturieren und zu mikrostrukturieren; B. zur Steuerung des Tintenladens in Druckmaschinen.
Aussehen in der Natur
Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen von im Wasser explodierenden Alkalimetallen haben darauf hingewiesen, dass es sich bei der Explosion um eine Coulomb-Explosion handelt.
Während einer nuklearen Explosion auf der Grundlage der Spaltung von Uran 167 MeV in Form einer Coulomb - Explosion zwischen jedem Stand der Kern von Uran, die abstoßende elektrostatische Energie zwischen den beiden Spalt emittiert wird Tochterkerne , übersetzt in die kinetische Energie der Spaltprodukte , dass führt sowohl zum Haupttreiber der Schwarzkörperstrahlung , die schnell die Bildung von heißem dichten Plasma/ nuklearen Feuerballen erzeugt , und somit auch sowohl spätere Explosions- als auch thermische Effekte.
Mindestens eine wissenschaftliche Arbeit legt nahe, dass die Coulomb-Explosion (insbesondere die elektrostatische Abstoßung von dissoziierten Carboxylgruppen von Polyglutaminsäure) Teil der explosiven Wirkung von Nematozyten, den Nesselzellen in Wasserorganismen des Stammes Cnidaria, sein könnte .
Coulomb-Explosions-Bildgebung
Moleküle werden durch ein Ladungsgleichgewicht zwischen negativen Elektronen und positiven Kernen zusammengehalten. Wenn mehrere Elektronen ausgestoßen werden, entweder durch Laserbestrahlung oder Beschuss mit hochgeladenen Ionen, fliegen die verbleibenden, sich gegenseitig abstoßenden Kerne in einer Coulomb-Explosion auseinander. Die Struktur einfacher Gasphasenmoleküle kann durch Verfolgung der Fragmenttrajektorien bestimmt werden.