Триболюминесценция - Triboluminescence

Триболюминесценция салицилата никотина-L

Триболюминесценция является оптическое явление в котором свет образуется, когда материал механически разрывается, разрывается, царапается, раздавливается или трется (см. трибология ). Это явление до конца не изучено, но, похоже, вызвано разделением и воссоединением статические электрические заряды. Термин происходит от Греческий τρίβειν («тереть»; см. трибология ) и латинский просвет (свет). Триболюминесценция может наблюдаться при разбивании кристаллов сахара и отслаивании липких лент.

Триболюминесценция часто используется как синоним фрактолюминесценция (термин, который иногда используется для обозначения только света, испускаемого расколотыми кристаллами). Триболюминесценция отличается от пьезолюминесценция в том, что пьезолюминесцентный материал излучает свет, когда он деформирован, а не сломан. Это примеры механолюминесценция, который свечение в результате любого механического воздействия на твердый.

История

An Uncompahgre Ute Церемониальная погремушка из сыромятной кожи буйвола, наполненная кристаллами кварца. Когда кристаллы кварца подвергаются механическому воздействию в темноте, видны вспышки света.

Uncompahgre Ute индейцы

В Uncompahgre Ute Индейцы из Центрального Колорадо - одна из первых задокументированных групп людей в мире, которым приписывают применение механолюминесценция с использованием кристаллов кварца для генерации света.[1][2] Юты изготовили специальные церемониальные погремушки из сыромятной кожи буйвола, которые они наполнили прозрачными кристаллами кварца, собранными в горах Колорадо и Юты. Когда по ночам во время церемоний трясли погремушки, трение и механическое напряжение кристаллов кварца, сталкивающихся друг с другом, производили вспышки света, видимые через полупрозрачную шкуру буйвола.

Более поздние описания

Первое записанное наблюдение приписывается английскому ученому. Френсис Бэкон когда он записал в своем 1620 году Novum Organum что "Хорошо известно, что все сахар засахаренные или простые, если они твердые, будут искриться, если их сломать или поцарапать в темноте ".[3] Ученый Роберт Бойл также сообщил о некоторых своих работах по триболюминесценции в 1663 году. В конце 1790-х гг. сахар Производство стало производить 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 к употреблению куски с помощью устройства, известного как кусочки сахара. Люди начали замечать, что когда сахар «прищипывался» при слабом освещении, были видны крошечные вспышки света.

Исторически важный случай триболюминесценции произошел в Париже в 1675 году. Астроном Жан-Феликс Пикар заметил, что его барометр светился в темноте, пока он нес его. Его барометр состоял из стеклянной трубки, частично заполненной ртутью. Когда ртуть скользила по стеклянной трубке, пустое пространство над ртутью светилось. Изучая это явление, исследователи обнаружили, что статическое электричество может вызвать свечение воздуха низкого давления. Это открытие показало возможность электрического освещения.

Механизм действия

Материаловеды еще не пришли к полному пониманию этого эффекта, но текущая теория триболюминесценции, основанная на кристаллографических, спектроскопических и других экспериментальных данных, состоит в том, что при разрушении асимметричных материалов плата отделен. Когда заряды воссоединяются, электрический разряд ионизирует окружающий воздух, вызывая вспышку света. Дальнейшие исследования предполагают[нужна цитата ] кристаллы, которые демонстрируют триболюминесценцию, должны обладать недостаточной симметрией (таким образом, быть анизотропными, чтобы обеспечить разделение зарядов) и быть плохими проводниками. Однако есть вещества, которые нарушают это правило и которые не обладают асимметрией, но все равно проявляют триболюминесценцию, например гексакис (антипирин) иодид тербия.[4] Считается, что эти материалы содержат примеси, которые делают вещество локально асимметричным.

Биологический феномен триболюминесценции обусловлен рекомбинация из свободные радикалы при механической активации.[5]

Примеры

Триболюминесценция в кварце

А алмаз может начать светиться при трении. Это иногда случается с алмазами, когда шлифуется грань или алмаз пилится во время шлифования. процесс резки. Алмазы могут светиться синим или красным светом. Некоторые другие минералы, такие как кварц, являются триболюминесцентными, излучают свет при трении друг о друга.[6]

Обыкновенный Лента, чувствительная к давлению ("скотч ") отображает светящуюся линию в том месте, где конец ленты отводится от рулона.[7] В 1953 году советские ученые наблюдали, что при отклеивании рулона ленты в вакууме образуется рентгеновское излучение.[8] Дальнейшее изучение механизма генерации рентгеновского излучения проводилось в 2008 г.[9][10][11] Аналогичное рентгеновское излучение также наблюдалось с металлами.[12]

Кроме того, когда кристаллы сахара раздавливаются, создаются крошечные электрические поля, разделяющие положительные и отрицательные заряды, которые затем создают искры при попытке воссоединиться. Винт-О-Грин Спасатели жизни особенно хорошо работают для создания таких искр, потому что грушанка масло (метил салицилат ) является флуоресцентный и обращает ультрафиолетовое излучение в синий свет.[13][14]

Триболюминесценция может возникать, когда Капля принца Руперта разрушается мощной силой, например пулей. Яркая вспышка белого света может произойти перед ударом вниз от головы капли к хвосту.[15][циркулярная ссылка ]

Триболюминесценция - это биологическое явление, наблюдаемое в механическая деформация и контактная электризация из эпидермальный поверхность костных и мягких тканей, при жевании пищи, при трение в суставах позвонков, во время полового акта и во время Циркуляция крови.[16][17]

Абразивная резка водяной струей керамики (например, плитка ) создает желто-оранжевое свечение в точке воздействия очень высокоскоростного потока.

Открытие конверта, заклеенного полимерным клеем, вызывает в темноте видимые синие вспышки.

Фрактолюминесценция

Фрактолюминесценция часто используется как синоним триболюминесценции.[18] Это излучение света от перелом (а не трение) кристалл, но трещины часто возникают при трении. В зависимости от атомной и молекулярный состав кристалла, когда кристалл разрушается, может происходить разделение зарядов, образуя одну сторону разрушенного кристалла положительно заряженный а другая сторона заряжена отрицательно. Как и в случае триболюминесценции, если разделение зарядов приводит к достаточно большому электрический потенциал, а разряд через зазор и через ванну газ между интерфейсами может происходить. Потенциал, при котором это происходит, зависит от диэлектрик свойства ванны газовой.[19]

Распространение ЭМИ при ГРП

Эмиссия электромагнитное излучение (EMR) во время Пластическая деформация и распространение трещины в металлах и горных породах. Эмиссии ЭМИ от металлов и сплавов также были изучены и подтверждены. Молоцкий представил дислокационный механизм этого типа излучения ЭМИ.[20] Недавно Срилакшми 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.[нужна цитата ]

Теория

ЭМИ при микропластической деформации и распространении трещин в некоторых металлах и сплавах и переходных процессах. магнитное поле о генерации во время образования шейки в ферромагнитных металлах сообщил Мисра (1973–75), что было подтверждено и исследовано несколькими исследователями.[нужна цитата ] Тудик и Валуев (1980) смогли измерить частоту ЭМИ при растяжении железа и алюминия в области 10-14 Гц, используя фотоумножители. Срилакшми 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 выбросы, как тепловые, акустические, ионные, экзо-излучения. С открытием новых материалов и достижением инструментальных средств для измерения эффектов ЭМИ, образования трещин и разрушения; эффект эмиссии ЭМИ становится важным.

Генерация рентгеновских лучей

В умеренном вакууме отслаивающаяся лента генерировала рентгеновские лучи, достаточные для рентгеновского исследования пальца человека.[21]

ЭМИ, вызванное деформацией

Изучение деформации необходимо 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 породах и гранитах; и эффекты в металлах и сплавах. Излучение ЭМИ зависит от ориентации зерен в отдельных кристаллах, так как свойства материалов в разных направлениях различаются.[22] Амплитуда импульса ЭМИ увеличивается, пока трещина продолжает расти, так как новые атомные связи разрываются, что приводит к ЭМИ. Пульс начинает затухать, когда треск прекращается.[23] Наблюдения в ходе экспериментов показали, что излучаемые сигналы ЭМИ содержат смешанные частотные компоненты.

Методы испытаний для измерения ЭМИ

Наиболее широко метод испытаний на растяжение используется для характеристики механических свойств материалов. Из любого полного протокола испытаний на растяжение можно получить важную информацию об упругих свойствах материала, характере и степени пластической деформации, текучести и прочности на разрыв и ударной вязкости. Информация, которую можно получить в результате одного испытания, оправдывает широкое использование испытания на растяжение в исследованиях инженерных материалов. Поэтому исследования эмиссии ЭМИ в основном основаны на испытании образцов на растяжение. Экспериментально можно показать, что образование трещин при растяжении вызывает более интенсивное ЭМИ, чем сдвиговое растрескивание, увеличение упругости, прочности и скорости нагружения при одноосном нагружении увеличивает амплитуду. Коэффициент Пуассона является ключевым параметром для характеристики ЭМИ при трехосном сжатии.[24] Если коэффициент Пуассона ниже, материал труднее деформироваться в поперечном направлении и, следовательно, выше вероятность новых трещин. Механизм пластической деформации очень важен для безопасной работы любого компонента в динамических условиях.

Использование и приложения

Это ЭМИ можно использовать при разработке датчиков / интеллектуальных материалов. Этот метод может быть реализован в порошковая металлургия техника тоже. ЭМИ - одно из таких излучений, сопровождающих большие деформации. Если можно идентифицировать элемент, который дает максимальный отклик на ЭМИ при минимальном механическом воздействии, то его можно включить в основной материал и, таким образом, установить новые тенденции в разработке интеллектуальных материалов. ЭМИ, вызванное деформацией, может служить мощным инструментом для обнаружения и предотвращения отказов.

Орловский В.Е. изобрел прибор для измерения ЭМИ цельная кровь и лимфоциты в лабораторная диагностика.[25][26][27]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Большой взрыв BBC на триболюминесценции
  2. ^ Доусон, Тимоти (2010). «Изменение цвета: теперь вы их видите, теперь нет». Технология окраски. 126: 177–188. Дои:10.1111 / j.1478-4408.2010.00247.x.
  3. ^ Бэкон, Фрэнсис. Novum Organum
  4. ^ В. Клегг, Г. Бурхилл и И. Сейдж (апрель 2002 г.). «Трииодид гексакиса (антипирин-O) тербия (III) при 160 К: подтверждение центросимметричной структуры блестяще триболюминесцентного комплекса». Acta Crystallographica Раздел E. 58 (4): m159 – m161. Дои:10.1107 / S1600536802005093.
  5. ^ Орел, В.Е .; Алексеев, С.Б .; Гриневич, Ю.А. (1992), "Механолюминесценция: анализ лимфоцитов при неоплазии", Биолюминесценция и хемилюминесценция, 7 (4): 239–244, Дои:10.1002 / bio.1170070403, PMID  1442175
  6. ^ "Рокхаундинг, Арканзас: эксперименты с кварцем". Rockhoundingar.com. Получено 2012-10-09.
  7. ^ Природа (журнал). Клейкая лента излучает рентгеновские лучи
  8. ^ Карасев, В. В .; Кротова, Н. А .; Дерягин, Б. В. (1953). "Исследование электронной эмиссии при снятии слоя высокополимера со стекла в вакууме ». Доклады Академии Наук СССР (Известия АН СССР). 88: 777–780.
  9. ^ Camara, C.G .; Escobar, J. V .; Hird, J. R .; Путтерман, С. Дж. (2008). «Корреляция между наносекундными рентгеновскими вспышками и трением прерывистого скольжения в отслаивающейся ленте». Природа. 455 (7216): 1089–1092. Bibcode:2008 Натур.455.1089C. Дои:10.1038 / природа07378.
  10. ^ Чанг, Кеннет (2008-10-23). "Скотч раскрывает силу рентгеновских лучей". Нью-Йорк Таймс.
  11. ^ Кэтрин Бурзак (2008-10-23). «Рентген, сделанный с помощью скотча». Обзор технологий. Получено 2012-10-09.
  12. ^ Нирадж Кришна, Г. (2014). «Рентгеновское излучение при трении металлов». Трибология в промышленности. 36: 229–235.
  13. ^ «Результат запроса WebCite». Архивировано из оригинал на 2009-10-20.
  14. ^ "Новости науки в Интернете - На этой неделе - Выпуск новостей - 17.05.97". Sciencenews.org. 1997-05-17. Получено 2012-10-09.
  15. ^ «Умнее с каждым днем». YouTube. Получено 25 мая 2020.
  16. ^ Орел, В. (1989), «Триболюминесценция как биологическое явление и методы его исследования», Книга: Труды Первой Международной школы биологической люминесценции.: 131–147
  17. ^ Орел, В.Е .; Алексеев, С.Б .; Гриневич, Ю.А. (1992), "Механолюминесценция: анализ лимфоцитов при неоплазии", Биолюминесценция и хемилюминесценция, 7 (4): 239–244, Дои:10.1002 / bio.1170070403, PMID  1442175
  18. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "триболюминесценция ". Дои:10.1351 / goldbook.T06499
  19. ^ Примечание. Это явление можно продемонстрировать, удалив лед из морозильной камеры в затемненном помещении, в условиях, когда лед издает треск из-за внезапного теплового расширения. Если окружающий свет достаточно тусклый, можно наблюдать вспышки белого света от растрескивающегося льда.
  20. ^ Чаухан, V.S.1 (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", Журнал материаловедения, 43 (16): 5634–5643, Bibcode:2008JMatS..43.5634C, Дои:10.1007 / s10853-008-2590-5
  21. ^ Камара, Карлос Дж .; Эскобар, Хуан V .; Хирд, Джонатан Р .; Паттерман, Сет Дж. (2008), "Корреляция между наносекундными вспышками рентгеновского излучения и трением прерывистого скольжения в отслаивающейся ленте", Природа, 455 (7216): 1089–1092, Bibcode:2008 Натур.455.1089C, Дои:10.1038 / природа07378
  22. ^ КУМАР, Раджив (2006), "Влияние параметров обработки на эмиссию электромагнитного излучения во время пластической деформации и распространения трещин в медно-цинковых сплавах", Журнал науки Чжэцзянского университета A, 7 (1): 1800–1809, Дои:10.1631 / jzus.2006.a1800
  23. ^ Фрид В. (2006), «Электромагнитное излучение, вызванное трещинами» (PDF), Журнал прикладной физики, 36 (13): 1620–1628, Bibcode:2003JPhD ... 36.1620F, Дои:10.1088/0022-3727/36/13/330
  24. ^ Фрид В. (2000), "Контроль водно-инфузионного контроля методом электромагнитного излучения в горно-взрывоопасных пластах", Журнал прикладной геофизики, 43 (1): 5–13, Bibcode:2000JAG .... 43 .... 5F, Дои:10.1016 / S0926-9851 (99) 00029-4
  25. ^ Орел, В.Е .; Романов, А.В .; Дзятковская, Н.Н .; Мельник, Ю.И. (2002), «Устройство и алгоритм для оценки хаоса механоэмиссии в крови больных раком желудка», Медицинская инженерия, физика, 24 (5): 365–3671, Дои:10.1016 / S1350-4533 (02) 00022-X, PMID  12052364
  26. ^ "Триболюминесцентный метод и аппарат для определения материала. Патент Франции 2 536 172 15/12/1982".
  27. ^ Орел, В.Э .; Кадюк, И.Н .; Мельник Ю.И .; и другие. (1994), "Физические и инженерные принципы исследования механически индуцированного выброса крови", Биомедицинская инженерия, 28 (6): 335–341, Дои:10.1007 / BF00559911

дальнейшее чтение

внешние ссылки