Cando o son convértese en luz

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

• Teknologia
• Fisika
• Energia

O son pode producir luz. Si, si as burbullas de aire dun líquido excítanse co son, emiten luz. E iso non é un fenómeno banal, porque en teoría algo necesita una temperatura enorme ou una enerxía enorme paira emitir luz. A claridade do son coñécese como sonoluminiscencia, que foi detectado por primeira vez en 1934 na Universidade de Colonia (Alemaña).

Foi un descubrimento inesperado, como moitos outros. Dous científicos buscaban investigar ao soar e, nun experimento, un recipiente cheo de líquido foi sometido a un emisor de ultrasonidos. Viron pequenas burbullas no líquido e ao pór en marcha o emisor de ultrasonidos viron que as burbullas emitían luz, pulsos de luz. Iso non era o que querían conseguir, pero foi a primeira vez que se viu e describiu a sonoluminiscencia. Leste mesmo fenómeno viuse en 1933 en N. Marinesco e J.J. Trillat nos seus experimentos. Os dous científicos de l'Académies deas Sciences de París demostraron que as láminas de fotos escurecíanse coa auga e aplicando o ultrasonido. Crese que naqueles experimentos observouse sonoluminiscencia.

Cincuenta anos despois, en 1989, o profesor da Universidade Mississippi, Lawrence Crum, e a súa doctorando, Felipe Gaitán, deron un gran paso na sonoluminiscencia. Experimentalmente conseguiron inducir a sonoluminiscencia dunha soa burbulla. Isto permitiulles constantemente observar o fenómeno nunha única burbulla estable e sen interacción. Foi entón cando se deron conta de que a burbulla paira emitir luz debía ter una temperatura interior moi elevada, suficiente paira fundir o aceiro, de aí o interese pola sonoluminiscencia.

Fundamentos de sonoluminiscencia

A sonoluminiscencia baséase nunha onda sonora. Una burbulla de aire no interior dun líquido contráese e expándese en función da presión que exerce a onda sonora. De feito, as burbullas emiten luz cando sofren o maior nivel de presión. Nese momento o seu diámetro é moi pequeno, aproximadamente dun micrómetro.

En canto á intensidade da luz emitida, aínda hai una curiosidade sen explicación: si engádese una pequena cantidade de gas nobre ao depósito de auga, a intensidade da luz aumenta considerablemente. Os científicos non saben por que, pero iso é o que pasa.

A lonxitude de onda da luz emitida pola burbulla é moi pequena, e os científicos creen que o espectro desta luz pode chegar até ao ultravioleta. Pola contra, a frecuencia adoita ser moi elevada e estable, salvo que varíe a frecuencia da fonte de ultrasonidos.

Ambos os parámetros, frecuencia e lonxitude de onda, son inversamente proporcionais. Ademais, cando a lonxitude de onda é pequena, a luz ten máis enerxía. Por iso, os expertos aseguran que a temperatura dentro da burbulla oscila entre 10.000 e un millón de kelvin, é dicir, entre 9.727 ºC e 999.727 ºC.

Precisamente a presenza destas temperaturas nun lugar reducido fai deste fenómeno tan interesante. A estas temperaturas, considérase que a fusión é posible sen quentar o propio envase. Se a temperatura da burbulla e a presión interna son relativamente grandes, os científicos creen que dentro das pequenas burbullas existe a posibilidade de fusión. Pero, desgraciadamente, aínda non foi posible medir esas temperaturas nin demostrar que a fusión é posible.

Hai científicos que din habelo feito. Recentemente R. P. O científico Taleyarkhan logrou a fusión do deuterio con este método, segundo publicou en varios lugares (2002-2005). O deuterio é un isótopo do hidróxeno. Ten un protón e un neutrón no núcleo e un electrón virando ao redor. Taleyarkhan introduciu o deuterio nun depósito e bombardeou as burbullas de aire con ondas sonoras. Se houbese fusión, xuntaríanse dous deuterio e crearíase o helio. Tal e como sinalou Taleyarkhan, logrouno el, pero estes experimentos non puideron ser repetidos nin demostrados fóra do seu laboratorio, polo que os seus resultados cuéstionanse.

Sen comentarios aínda

Independentemente de si conseguiuse a fusión ou non, tampouco están claros os mecanismos de sonoluminiscencia. Moitos creen que as burbullas non poden manter a súa forma esférica a presións tan elevadas, o que provoca a sonoluminiscencia. Outros moitos colocan puntos extremadamente quentes no centro da emisión de luz, así como colisións no líquido, emisións da coroa exterior da burbulla, etc. Con todo, todos aceptan que a emisión de luz ten que ver coa contracción súbita que sofre a burbulla por efecto da presión.

Con todo, hai dúas teorías que foron amplamente discutidas e á vez estendidas sobre a sonoluminiscencia.

Segundo o físico da Universidade de Sussex, Claudia Eberlein, a luz é producida polo baleiro que rodea a burbulla. O físico compara este fenómeno coa luz que se produce ao redor dos buracos negros. Segundo a teoría cuántica, o baleiro está cheo de partículas virtuais, pero os rápidos movementos entre a auga e o aire converten estes fotóns virtuais en fotóns reais. Os pulsos de luz serían os fotóns emitidos polo baleiro que rodea ás burbullas. Con todo, esta teoría ten a proba contraria de que as propiedades da luz varían coa introdución de gases nobres no depósito de auga, o que non debería suceder se a luz prodúcese.

A segunda teoría sostén que os chorros rápidos de líquido que cruzan a burbulla producen luz a unha velocidade de 6.000 quilómetros por hora. Esta teoría foi publicada polo profesor Andrea Prosperetti da Universidade Johns Hopkins. A auga xeada pode emitir luz cando rompe e, segundo esta teoría, as altas presións dentro da burbulla xeran estruturas en forma de xeo. Cando os chorros de líquido cruzan a burbulla, estas estruturas en forma de xeo rompen provocando a emisión de fotóns.

Segundo Prosperetti, a introdución de gases nobres modifica a aliñación das moléculas de auga nestas estruturas en forma de xeo: prodúcense defectos na estrutura de cristal e facilítase a rotura. Paira demostrar que esta teoría é certa, bastaría con bombardear as burbullas directamente cun chorro rápido de auga nun recipiente sen son. Iso está por ver.

Con todo, hai que dicir que a comunidade científica exclúe ambas as teorías, sobre todo a primeira. Cre que ambos son moi complicados.

Aplicacións reais

Con todo, a pesar do descoñecemento dos mecanismos de sonoluminiscencia, investigáronse xa varias aplicacións. Por exemplo, investigadores xaponeses utilizaron a sonoluminiscencia paira aumentar a influencia do catalizador TiO 2, utilizado paira depurar a auga. Outros investigadores utilízano paira identificar e cuantificar metais. A NASA tamén ten un estudo sobre a aplicación de sonoluminiscencia paira a fabricación de vehículos espaciais máis lixeiros e seguros. De feito, queren utilizalo paira a instrumentación e as medicións.

Recentemente coñecemos a última aplicación da man do centro tecnolóxico Inasmet. A sonoluminiscencia utilizarase contra a bacteria Legionella. E como? Pois ben, nos condutos de refrixeración de calquera edificio existe auga, onde crecen a bacteria Legionella e outros microorganismos. Mediante a introdución de burbullas de aire nestas tubaxes e a emisión de ultrasonidos preténdese limpar as tubaxes.

Por unha banda, ao redor das burbullas xéranse enormes presións e temperaturas que provocarán a morte das bacterias Legionella que se atopan no camiño. Doutra banda, impulsaranse procesos de oxidación no circuíto de auga de refrixeración. Esta tensión oxidante impide a creación dun soporte vital paira os microorganismos (biofilm), polo que nin Legionella nin outros microorganismos poderán instalarse en circuítos de auga de refrixeración.

A aplicación tivo, por tanto, sonoluminiscencias. Pero o maior interese, por suposto, está na posibilidade de conseguir una fusión controlada. Paira conseguilo, con todo, hai moito camiño por percorrer.