Триболюминесценция
Триболюминесценция — это явление, при котором свет генерируется при механическом разрыве, разрыве, царапинах, измельчении или трении материала (см. Трибология ). Это явление до конца не изучено, но, по-видимому, в большинстве случаев вызвано разделением и воссоединением статических электрических зарядов , см. также трибоэлектрический эффект . Термин происходит от греческого τρίβειν («тереть»; см. трибологию ) и латинского lumen (свет). Триболюминесценцию можно наблюдать при разломе кристаллов сахара и отслаивании липкой ленты.
Триболюминесценция часто является синонимом фрактолюминесценции (термин, который в основном используется только для обозначения света, излучаемого разбитыми кристаллами). Триболюминесценция отличается от пьезолюминесценции тем, что пьезолюминесцентный материал излучает свет при деформации, а не при разрушении. Это примеры механолюминесценции , то есть свечения, возникающего в результате любого механического воздействия на твердое тело .
История
[ редактировать ]Кварцевые погремушки коренного народа Ункомпагре-юте
[ редактировать ]Коренные жители Ункомпагре -юте из Центрального Колорадо — одна из первых задокументированных групп людей в мире, которым приписывают применение механолюминесценции, включающей использование кристаллов кварца для генерации света. [ 1 ] [ 2 ] Юты изготовили уникальные церемониальные погремушки из сыромятной кожи буйвола, которые наполнили прозрачными кристаллами кварца, собранными в горах Колорадо и Юты. Когда погремушки трясли ночью во время церемоний, трение и механическое напряжение кристаллов кварца, сталкивающихся друг с другом, вызывали вспышки света, видимые сквозь полупрозрачную шкуру буйвола.
Ранние научные отчеты
[ редактировать ]Первое зарегистрированное наблюдение приписывается английскому ученому Фрэнсису Бэкону , когда он записал в своей книге Novum Organum 1620 года : «Хорошо известно, что весь сахар , засахаренный или простой, если он твердый, будет искриться, если его разбить или поцарапать в темноте». [ 3 ] Ученый Роберт Бойль также сообщил о некоторых своих работах по триболюминесценции в 1663 году. [ 4 ] В 1675 году астроном Жан-Феликс Пикард заметил, что его барометр светился в темноте, когда он нес его. Его барометр представлял собой стеклянную трубку, частично заполненную ртутью. Пустое пространство над ртутью светилось всякий раз, когда ртуть скользила по стеклянной трубке. [ 5 ]
В конце 1790-х годов при производстве сахара стало производиться больше кристаллов рафинированного сахара. Эти кристаллы были сформированы в большой твердый конус для транспортировки и продажи. Этот твердый сахарный рожок нужно было разбить на пригодные для использования куски с помощью устройства для зажима сахара . Люди начали замечать крошечные вспышки света, когда сахар «откусывался» при слабом освещении, что является установленным примером триболюминесценции. [ 6 ]
Механизм действия
[ редактировать ]Остается несколько неясностей относительно эффекта. Современная теория триболюминесценции, основанная на кристаллографических, спектроскопических и других экспериментальных данных, заключается в том, что при разрушении асимметричных материалов заряд разделяется. Когда заряды рекомбинируются, электрический разряд ионизирует окружающий воздух, вызывая вспышку света. Дальнейшие исследования показывают, что кристаллы, демонстрирующие триболюминесценцию, часто лишены симметрии и являются плохими проводниками. [ 7 ] Однако существуют вещества, которые нарушают это правило и не обладают асимметрией, но проявляют триболюминесценцию, например йодид гексакис(антипирин)тербия. [ 8 ] Считается, что эти материалы содержат примеси, которые делают вещество локально асимметричным. Дополнительную информацию о некоторых возможных процессах можно найти на странице, посвященной трибоэлектрическому эффекту.
Считается, что биологический феномен триболюминесценции контролируется рекомбинацией во свободных радикалов время механической активации. [ 9 ]
Примеры
[ редактировать ]В обычных материалах
[ редактировать ]Некоторые предметы домашнего обихода и вещества можно рассматривать как демонстрирующие это свойство:
- Обычная самоклеящаяся лента (« скотч ») имеет светящуюся линию в месте отрыва конца ленты от рулона. [ 10 ] В 1953 году советские ученые заметили, что при размотке рулона ленты в вакууме возникают рентгеновские лучи. [ 11 ] Механизм генерации рентгеновских лучей был дополнительно изучен в 2008 году. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] Аналогичное рентгеновское излучение наблюдалось и у металлов. [ 15 ]
- Вскрытие конверта, заклеенного полимерным клеем, может привести к появлению света, который в темноте можно рассматривать как синие вспышки. [ 16 ]
- Когда кристаллы сахара измельчаются, создаются крошечные электрические поля, разделяющие положительные и отрицательные заряды, которые создают искры при попытке воссоединиться. Wint-O-Green Life Savers особенно хорошо подходят для создания таких искр, поскольку масло грушанки ( метилсалицилат ) флуоресцентно и преобразует ультрафиолетовый свет в синий свет . [ 17 ] [ 18 ]
Алмаз ; может начать светиться, если его потереть это иногда случается с бриллиантами во время шлифовки грани или распиливания алмаза в процессе огранки . Бриллианты могут светиться синим или красным светом. Некоторые другие минералы, такие как кварц , являются триболюминесцентными и излучают свет при трении друг о друга. [ 19 ]
Триболюминесценция как биологическое явление наблюдается при механической деформации и контактной электризации поверхности эпидермиса костных и мягких тканей, при пережевывании пищи, при трении в суставах позвонков, при половом акте, при кровообращении . [ 20 ] [ 21 ]
Гидроабразивная резка керамики (например, кафеля ) создает желто-оранжевое свечение в месте воздействия очень высокоскоростного потока.
Химические вещества, отличающиеся триболюминесценцией.
[ редактировать ]- Тетракис(дибензоилметид)триэтиламмоний европия при разрушении его кристаллов излучает особенно ярко-красные вспышки. [ 22 ] [ 23 ]
- Трифенилфосфинбис(пиридин)тиоцианатомедь(I) излучает достаточно сильный синий свет при разрушении его кристаллов. Это свечение не такое яркое, как красное свечение; однако его все равно очень хорошо видно невооруженным глазом в стандартных настройках. [ 24 ] [ 25 ]
- N-ацетилантраниловая кислота излучает глубокий синий свет при разрушении ее кристаллов. [ 26 ]
Фрактолюминесценция
[ редактировать ]Фрактолюминесценцию часто используют как синоним триболюминесценции. [ 27 ] Это излучение света от трещины (а не от трения) кристалла , но разрушение часто происходит при трении. В зависимости от атомного и молекулярного состава кристалла, когда кристалл разрушается, может произойти разделение зарядов, в результате чего одна сторона расколотого кристалла становится положительно заряженной , а другая сторона - отрицательно. Как и в триболюминесценции, если разделение зарядов приводит к достаточно большому электрическому потенциалу , может произойти разряд через зазор и через газовую ванну между границами раздела. Потенциал, при котором это происходит, зависит от диэлектрических свойств газа ванны. [ 28 ]
Распространение ЭМИ при гидроразрыве
[ редактировать ]излучение электромагнитного излучения (ЭМИ) при пластическом деформировании и распространении трещин Изучено в металлах и горных породах. Эмиссия ЭМИ от металлов и сплавов также была исследована и подтверждена. Молоцкий представил дислокационный механизм этого типа излучения ЭМИ. [ 29 ] В 2005 году Шрилакшми и Мисра сообщили о дополнительном явлении вторичного ЭМИ во время пластической деформации и распространения трещин в металлах и сплавах без покрытия и с металлическим покрытием. [ 30 ]
ЭМИ во время микропластической деформации и распространения трещин в некоторых металлах и сплавах, а также переходного магнитного поля генерация во время образования шейки в ферромагнитных металлах были описаны Мисрой (1973–75), которые были подтверждены и исследованы несколькими исследователями. [ 31 ] Тудик и Валуев (1980) смогли измерить частоту ЭМИ при разрушении железа и алюминия при растяжении в районе 100 ТГц с помощью фотоумножителей . Шрилакшми и Мисра (2005a) также сообщили о дополнительном явлении вторичного электромагнитного излучения в металлах и сплавах без покрытия и с металлическим покрытием. Если твердый материал подвергается напряжениям большой амплитуды, которые могут вызвать пластическую деформацию и разрушение, возникают такие излучения, как тепловая, акустическая, ионная и экзоэмиссия.
ЭМИ, вызванное деформацией
[ редактировать ]Изучение деформации имеет важное значение для разработки новых материалов. Деформация металлов зависит от температуры, типа приложенного напряжения, скорости деформации, окисления и коррозии. ЭМИ, вызванное деформацией, можно разделить на три категории: эффекты в ионно-кристаллических материалах, эффекты в горных породах и гранитах и эффекты в металлах и сплавах. Эмиссия ЭМИ зависит от ориентации зерен в отдельных кристаллах, поскольку свойства материала в разных направлениях различны. [ 32 ] Амплитуда импульса ЭМИ увеличивается по мере роста трещины по мере разрыва новых атомных связей, что приводит к ЭМИ. Пульс начинает затухать, когда растрескивание прекращается. [ 33 ] Наблюдения в ходе экспериментов показали, что излучаемые сигналы ЭМИ содержат компоненты смешанной частоты.
Методы испытаний для измерения ЭМИ
[ редактировать ]Наиболее широко используемый метод испытаний на растяжение используется для характеристики механических свойств материалов. Из любой полной записи испытаний на растяжение можно получить важную информацию об упругих свойствах материала, характере и степени пластической деформации, текучести, пределе прочности и ударной вязкости. Информация, полученная в результате одного испытания, оправдывает широкое использование испытаний на растяжение при исследовании технических материалов. Поэтому исследования излучений ЭМИ в основном основаны на испытаниях образцов на растяжение. Из экспериментов можно показать, что образование трещин при растяжении возбуждает более интенсивное ЭМИ, чем растрескивание при сдвиге, увеличение упругости, прочности и скорости нагружения при одноосном нагружении увеличивает амплитуду. Коэффициент Пуассона является ключевым параметром для определения характеристик ЭМИ при трехосном сжатии. [ 34 ] Если коэффициент Пуассона ниже, материалу труднее деформироваться в поперечном направлении и, следовательно, увеличивается вероятность новых трещин.
См. также
[ редактировать ]- Свет землетрясения
- Список источников света
- Пьезоэлектричество
- Сонолюминесценция
- Трибоэлектрический эффект
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Большой взрыв BBC о триболюминесценции» . Архивировано из оригинала 21 декабря 2019 г. Проверено 25 декабря 2019 г.
- ^ Доусон, Тимоти (2010). «Изменение цветов: сейчас вы их видите, теперь нет». Технология окраски . 126 (4): 177–188. дои : 10.1111/j.1478-4408.2010.00247.x .
- ^ Бэкон, Фрэнсис. Novum Organum. Архивировано 3 мая 2006 г. в Wayback Machine.
- ^ Бойль, Роберт (1663). КОПИЯ ПИСЬМА, которое мистер Бойль написал сэру Роберту Моррею в сопровождении «Наблюдений, касающихся сияющего алмаза» . стр. 391–411.
{{cite book}}
:|website=
игнорируется ( помогите ) - ^ (Посох) (1676). «Опыт, проведенный в [Парижской] обсерватории на простом барометре относительно нового явления, которое там было обнаружено». Journal des Sçavans (парижское издание) (на французском языке): 112–113.
- ^ Уик, Фрэнсис Г. (1940). «Триболюминесценция сахара» . ДЖОСА . 30 (7): 302–306. дои : 10.1364/JOSA.30.000302 .
- ^ Фонтено, РС; Бхат, КН; Холлерман, Вашингтон; Аггарвал, доктор медицины; Нгуен, К.М. (2012). «Сравнение выхода триболюминесценции и времени затухания дибензоилметида европия триэтиламмония, синтезированного с использованием различных растворителей». CrystEngComm . 14 (4). Королевское химическое общество (RSC): 1382–1386. дои : 10.1039/c2ce06277a . ISSN 1466-8033 .
- ^ У. Клегг, Г. Бурхилл и И. Сейдж (апрель 2002 г.). «Трийодид гексакис (антипирин-O) тербия (III) при 160 К: подтверждение центросимметричной структуры блестящего триболюминесцентного комплекса» . Acta Crystallographica Раздел E. 58 (4): м159–м161. дои : 10.1107/S1600536802005093 .
- ^ Орел, ВЭ; Алексеев С.Б.; Гриневич, Ю.А. (1992), «Механолюминесценция: анализ лимфоцитов при неоплазиях», Биолюминесценция и хемилюминесценция , 7 (4): 239–244, doi : 10.1002/bio.1170070403 , PMID 1442175
- ^ Сандерсон, Кэтрин (22 октября 2008 г.). «Клейкая лента генерирует рентгеновские лучи». Природа : новости.2008.1185. дои : 10.1038/news.2008.1185 .
- ^ Карасев В.В.; Кротова Н.А.; Дерягин, Борис Владимирович (1953). Исследование электронной эмиссии при снятии слоя высокополимера со стекла в вакууме . OCLC 1037003456 .
- ^ Камара, CG; Эскобар, СП; Херд, младший; Путтерман, С.Дж. (2008). «Корреляция между наносекундными рентгеновскими вспышками и прерывистым трением в отслаивающейся ленте». Природа . 455 (7216): 1089–1092. Бибкод : 2008Natur.455.1089C . дои : 10.1038/nature07378 . S2CID 4372536 .
- ^ Чанг, Кеннет (23 октября 2008 г.). «Скотч раскрывает силу рентгеновских лучей» . Нью-Йорк Таймс . Архивировано из оригинала 30 сентября 2017 г. Проверено 25 февраля 2017 г.
- ^ Кэтрин Бурзак (23 октября 2008 г.). «Рентгеновские снимки, сделанные скотчем» . Обзор технологий . Архивировано из оригинала 14 мая 2012 г. Проверено 9 октября 2012 г.
- ^ Кришна, Дж.Н.; Чоудхури, С.К.Рой; Бисвас, А. (2014). «Рентгеновское излучение при трении металлов» (PDF) . Трибология в промышленности . 36 (3): 229–235. ПроКвест 2555415391 .
- ^ Александр, Эндрю Дж. (5 сентября 2012 г.). «Механизм межфазного ионного переноса, обеспечивающий интенсивную люминесценцию, наблюдаемую при открытии самозапечатывающихся конвертов» (PDF) . Ленгмюр . 28 (37). Американское химическое общество (ACS): 13294–13299. дои : 10.1021/la302689y . hdl : 20.500.11820/78782d2a-b87f-4fda-813c-6a282d1fd9c6 . ISSN 0743-7463 . ПМИД 22924818 . S2CID 32480331 .
- ^ «Триболюминесценция» . Архивировано из оригинала 20 октября 2009 г.
- ^ «Триболюминесценция» . Sciencenews.org. 17 мая 1997 г. Архивировано из оригинала 26 июня 1997 г. Проверено 9 октября 2012 г.
- ^ «Преследование камней в Арканзасе: эксперименты с кварцем» . Rockhoundingar.com. Архивировано из оригинала 24 апреля 2012 г. Проверено 9 октября 2012 г.
- ^ Орел, В.Е. (1989). Триболюминесценция как биологическое явление и методы ее исследования . Биологическая люминесценция: материалы первой международной школы, Замок Ксёнж, Вроцлав, Польша, 20-23 июня 1989 г. Сингапур: World Scientific. стр. 131–147. дои : 10.13140/RG.2.1.2298.5443 . ISBN 9789810204051 .
- ^ Орел, Валерий Евгеньевич; Алексеев Сергей Б.; Гриневич Юрий А. (октябрь 1992 г.). «Механолюминесценция: анализ лимфоцитов при неоплазии». Журнал биолюминесценции и хемилюминесценции . 7 (4): 239–244. дои : 10.1002/bio.1170070403 . ПМИД 1442175 .
- ^ Хёрт, ЧР; Макавой, Н.; Бьорклунд, С.; Филипеску, Н. (октябрь 1966 г.). «Высокоинтенсивная триболюминесценция в тетракис (дибензоилметид)-триэтиламмонии европия». Природа . 212 (5058): 179–180. Бибкод : 1966Natur.212R.179H . дои : 10.1038/212179b0 . S2CID 4165699 .
- ^ Фонтено, Росс; Бхат, Камала; Холлерман, Уильям А; Аггарвал, Мохан (1 сентября 2016 г.). «Европий тетракис дибензоилметид триэтиламмоний: синтез, добавки и обзор применения». Тезисы совещаний ECS . MA2016-02 (42): 3158. doi : 10.1149/ma2016-02/42/3158 .
- ^ «Создание синих кристаллов Smash-Glow (демонстрация триболюминесценции)» . Ютуб .
- ^ Маркетти, Фабио; Ди Никола, Коррадо; Петтинари, Риккардо; Тимохин Иван; Петтинари, Клаудио (10 апреля 2012 г.). «Синтез фотолюминесцентного и триболюминесцентного соединения меди (I): эксперимент для лаборатории передовой неорганической химии». Журнал химического образования . 89 (5): 652–655. Бибкод : 2012ЖЧЭд..89..652М . дои : 10.1021/ed2001494 .
- ^ Эриксон Дж. (октябрь 1972 г.). «N-ацетилантраниловая кислота. Высокотриболюминесцентный материал». J Chem Educ . 49 (10): 688. Бибкод : 1972JChEd..49..688E . дои : 10.1021/ed049p688 .
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Триболюминесценция ». дои : 10.1351/goldbook.T06499
- ^ Примечание. Это явление можно продемонстрировать, вынув лед из морозильной камеры в затемненной комнате, где лед издает трескающиеся звуки из-за внезапного теплового расширения. Если окружающий свет достаточно тусклый, можно наблюдать вспышки белого света от раскалывающегося льда.
- ^ Чаухан, VS1 (2008), «Влияние скорости деформации и повышенной температуры на излучение электромагнитного излучения во время пластической деформации и распространения трещин в титановых листах ASTM B 265 класса 2», Journal of Materials Science , 43 (16): 5634–5643, Bibcode : 2008JMatS..43.5634C , doi : 10.1007/s10853-008-2590-5 , S2CID 137105959
{{citation}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Шрилакшми, Б.; Мисра, А. (8 сентября 2005 г.). «Вторичное электромагнитное излучение при пластической деформации и распространении трещин в углеродистой стали без покрытия и с луженым покрытием». Журнал материаловедения . 40 (23). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 6079–6086. дои : 10.1007/s10853-005-1293-4 . ISSN 0022-2461 . S2CID 135922668 .
- ^ Чаухан, Вишал С.; Мисра, Ашок (1 июля 2010 г.). «Электромагнитное излучение при пластической деформации в условиях неограниченного квазистатического сжатия в металлах и сплавах». Международный журнал исследования материалов . 101 (7). Вальтер де Грюйтер ГмбХ: 857–864. дои : 10.3139/146.110355 . ISSN 2195-8556 . S2CID 138866328 .
- ^ КУМАР, Раджив (2006), «Влияние параметров обработки на излучение электромагнитного излучения во время пластической деформации и распространения трещин в медно-цинковых сплавах», Journal of Zhejiang University Science A , 7 (1): 1800–1809, doi : 10.1631/ jzus.2006.a1800 , S2CID 122149160
- ^ Фрид, В; Рабинович, А; Бахат, Д. (7 июля 2003 г.). «Электромагнитное излучение, вызванное переломом». Журнал физики D: Прикладная физика . 36 (13): 1620–1628. Бибкод : 2003JPhD...36.1620F . дои : 10.1088/0022-3727/36/13/330 . S2CID 250758753 .
- ^ Фрид, В. (2000), «Контроль водонасыщения методом электромагнитного излучения в горно-удароопасных пластах», Журнал прикладной геофизики , 43 (1): 5–13, Bibcode : 2000JAG....43....5F , дои : 10.1016/S0926-9851(99)00029-4
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Мартин Гил, Иисус; Мартин Хиль, Франсиско Дж. (1978). «Триболюминесценция новых солей уранила». Журнал химического образования . 55 (5): 340. Бибкод : 1978ЖЧЭд..55..340Г . дои : 10.1021/ed055p340 .
- Матоусек и др. (2023). «Изучение триболюминесценции и парамагнетизма: быстрый синтез комплекса Mn для химических лабораторий средней школы и бакалавриата» . Журнал химического образования . 100 (8): 3061–3069. doi : 10.1021/acs.jchemed.3c00372 . S2CID 260181412 .
- Свитинг, Линд М. (сентябрь 1998 г.). «Конфеты из грушанки и другие триболюминесцентные материалы» . Кафедра химии . Научные эксперименты в домашних условиях. Таусонский университет.
- Уолтон, Эй Джей (1977). «Триболюминесценция» . Достижения физики . 26 (6): 887–948. дои : 10.1080/00018737700101483 .
- Се, Ю.; Ли, З. (2018). «Триболюминесценция: напоминание об интересе и новых аспектах» (PDF) . Хим . 4 (5): 943–971. дои : 10.1016/j.chempr.2018.01.001 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Здравая наука о светящемся сахаре» . Мир физики . 2006.
- «Корреляция между наносекундными рентгеновскими вспышками и прерывистым трением в отслаивающейся ленте». Природа . 455 (7216): 1089–1092. 23 октября 2008 г. Бибкод : 2008Natur.455.1089C . дои : 10.1038/nature07378 . S2CID 4372536 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - Обсуждение триболюминесценции на Tribo Net
- Заставьте клейкую ленту светиться на YouTube (2010)
- Бинты светятся при открытии?! - Повседневные тайны на Youtube (2018)