Cuando el sonido se convierte en luz

2006/07/01 Andonegi Beristain, Garazi - Elhuyar Zientziaren Komunikazioa Iturria: Elhuyar aldizkaria

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El sonido puede producir luz. Sí, si las burbujas de aire de un líquido se excitan con el sonido, emiten luz. Y eso no es un fenómeno banal, porque en teoría algo necesita una temperatura enorme o una energía enorme para emitir luz. La claridad del sonido se conoce como sonoluminiscencia, que fue detectado por primera vez en 1934 en la Universidad de Colonia (Alemania).

Fue un descubrimiento inesperado, como muchos otros. Dos científicos buscaban investigar al sonar y, en un experimento, un recipiente lleno de líquido fue sometido a un emisor de ultrasonidos. Vieron pequeñas burbujas en el líquido y al poner en marcha el emisor de ultrasonidos vieron que las burbujas emitían luz, pulsos de luz. Eso no era lo que querían conseguir, pero fue la primera vez que se vio y describió la sonoluminiscencia. Este mismo fenómeno se vio en 1933 en N. Marinesco y J.J. Trillat en sus experimentos. Los dos científicos de l'Académies des Sciences de París demostraron que las láminas de fotos se oscurecían con el agua y aplicando el ultrasonido. Se cree que en aquellos experimentos se observó sonoluminiscencia.

Cincuenta años después, en 1989, el profesor de la Universidad Mississippi, Lawrence Crum, y su doctorando, Felipe Gaitán, dieron un gran paso en la sonoluminiscencia. Experimentalmente consiguieron inducir la sonoluminiscencia de una sola burbuja. Esto les permitió constantemente observar el fenómeno en una única burbuja estable y sin interacción. Fue entonces cuando se dieron cuenta de que la burbuja para emitir luz debía tener una temperatura interior muy elevada, suficiente para fundir el acero, de ahí el interés por la sonoluminiscencia.

Fundamentos de sonoluminiscencia

La sonoluminiscencia se basa en una onda sonora. Una burbuja de aire en el interior de un líquido se contrae y se expande en función de la presión que ejerce la onda sonora. De hecho, las burbujas emiten luz cuando sufren el mayor nivel de presión. En ese momento su diámetro es muy pequeño, aproximadamente de un micrómetro.

En cuanto a la intensidad de la luz emitida, todavía hay una curiosidad sin explicación: si se añade una pequeña cantidad de gas noble al depósito de agua, la intensidad de la luz aumenta considerablemente. Los científicos no saben por qué, pero eso es lo que pasa.

La longitud de onda de la luz emitida por la burbuja es muy pequeña, y los científicos creen que el espectro de esta luz puede llegar hasta al ultravioleta. Por el contrario, la frecuencia suele ser muy elevada y estable, salvo que varíe la frecuencia de la fuente de ultrasonidos.

Ambos parámetros, frecuencia y longitud de onda, son inversamente proporcionales. Además, cuando la longitud de onda es pequeña, la luz tiene más energía. Por ello, los expertos aseguran que la temperatura dentro de la burbuja oscila entre 10.000 y un millón de kelvin, es decir, entre 9.727 ºC y 999.727 ºC.

Precisamente la presencia de estas temperaturas en un lugar reducido hace de este fenómeno tan interesante. A estas temperaturas, se considera que la fusión es posible sin calentar el propio envase. Si la temperatura de la burbuja y la presión interna son relativamente grandes, los científicos creen que dentro de las pequeñas burbujas existe la posibilidad de fusión. Pero, desgraciadamente, todavía no ha sido posible medir esas temperaturas ni demostrar que la fusión es posible.

Hay científicos que dicen haberlo hecho. Recientemente R. P. El científico Taleyarkhan logró la fusión del deuterio con este método, según publicó en varios lugares (2002-2005). El deuterio es un isótopo del hidrógeno. Tiene un protón y un neutrón en el núcleo y un electrón girando alrededor. Taleyarkhan introdujo el deuterio en un depósito y bombardeó las burbujas de aire con ondas sonoras. Si hubiera fusión, se juntarían dos deuterio y se crearía el helio. Tal y como señaló Taleyarkhan, lo logró él, pero estos experimentos no han podido ser repetidos ni demostrados fuera de su laboratorio, por lo que sus resultados se cuestionan.

Sin comentarios todavía

Independientemente de si se ha conseguido la fusión o no, tampoco están claros los mecanismos de sonoluminiscencia. Muchos creen que las burbujas no pueden mantener su forma esférica a presiones tan elevadas, lo que provoca la sonoluminiscencia. Otros muchos colocan puntos extremadamente calientes en el centro de la emisión de luz, así como colisiones en el líquido, emisiones de la corona exterior de la burbuja, etc. Sin embargo, todos aceptan que la emisión de luz tiene que ver con la contracción súbita que sufre la burbuja por efecto de la presión.

Sin embargo, hay dos teorías que han sido ampliamente discutidas y a la vez extendidas sobre la sonoluminiscencia.

Según la físico de la Universidad de Sussex, Claudia Eberlein, la luz es producida por el vacío que rodea la burbuja. El físico compara este fenómeno con la luz que se produce alrededor de los agujeros negros. Según la teoría cuántica, el vacío está lleno de partículas virtuales, pero los rápidos movimientos entre el agua y el aire convierten estos fotones virtuales en fotones reales. Los pulsos de luz serían los fotones emitidos por el vacío que rodea a las burbujas. Sin embargo, esta teoría tiene la prueba contraria de que las propiedades de la luz varían con la introducción de gases nobles en el depósito de agua, lo que no debería suceder si la luz se produce.

La segunda teoría sostiene que los chorros rápidos de líquido que cruzan la burbuja producen luz a una velocidad de 6.000 kilómetros por hora. Esta teoría fue publicada por el profesor Andrea Prosperetti de la Universidad Johns Hopkins. El agua helada puede emitir luz cuando se rompe y, según esta teoría, las altas presiones dentro de la burbuja generan estructuras en forma de hielo. Cuando los chorros de líquido cruzan la burbuja, estas estructuras en forma de hielo se rompen provocando la emisión de fotones.

Según Prosperetti, la introducción de gases nobles modifica la alineación de las moléculas de agua en estas estructuras en forma de hielo: se producen defectos en la estructura de cristal y se facilita la rotura. Para demostrar que esta teoría es cierta, bastaría con bombardear las burbujas directamente con un chorro rápido de agua en un recipiente sin sonido. Eso está por ver.

Sin embargo, hay que decir que la comunidad científica excluye ambas teorías, sobre todo la primera. Cree que ambos son muy complicados.

Aplicaciones reales

Sin embargo, a pesar del desconocimiento de los mecanismos de sonoluminiscencia, se han investigado ya varias aplicaciones. Por ejemplo, investigadores japoneses han utilizado la sonoluminiscencia para aumentar la influencia del catalizador TiO 2, utilizado para depurar el agua. Otros investigadores lo utilizan para identificar y cuantificar metales. La NASA también tiene un estudio sobre la aplicación de sonoluminiscencia para la fabricación de vehículos espaciales más ligeros y seguros. De hecho, quieren utilizarlo para la instrumentación y las mediciones.

Recientemente hemos conocido la última aplicación de la mano del centro tecnológico Inasmet. La sonoluminiscencia se utilizará contra la bacteria Legionella. ¿Y cómo? Pues bien, en los conductos de refrigeración de cualquier edificio existe agua, donde crecen la bacteria Legionella y otros microorganismos. Mediante la introducción de burbujas de aire en estas tuberías y la emisión de ultrasonidos se pretende limpiar las tuberías.

Por un lado, alrededor de las burbujas se generan enormes presiones y temperaturas que provocarán la muerte de las bacterias Legionella que se encuentran en el camino. Por otro lado, se impulsarán procesos de oxidación en el circuito de agua de refrigeración. Este estrés oxidante impide la creación de un soporte vital para los microorganismos (biofilm), por lo que ni Legionella ni otros microorganismos podrán instalarse en circuitos de agua de refrigeración.

La aplicación ha tenido, por tanto, sonoluminiscencias. Pero el mayor interés, por supuesto, está en la posibilidad de conseguir una fusión controlada. Para conseguirlo, sin embargo, hay mucho camino por recorrer.