stringtranslate.com

Триболюминесценция

Триболюминесценция L -салицилата никотина

Триболюминесценция — это явление, при котором свет генерируется, когда материал механически разрывается, разрывается, царапается, раздавливается или трётся (см. трибология ). Явление не до конца изучено, но, по-видимому, в большинстве случаев оно вызвано разделением и воссоединением статических электрических зарядов , см. также трибоэлектрический эффект . Термин происходит от греческого τρίβειν («тереть»; см. трибология ) и латинского lumen (свет). Триболюминесценцию можно наблюдать при разрушении кристаллов сахара и отклеивании клейких лент.

Триболюминесценция часто является синонимом фрактолюминесценции (термин, который в основном используется, когда речь идет только о свете, испускаемом изломами кристаллов). Триболюминесценция отличается от пьезолюминесценции тем, что пьезолюминесцентный материал излучает свет при деформации, а не при разрушении. Это примеры механолюминесценции , которая является люминесценцией, возникающей в результате любого механического воздействия на твердое тело .

История

Церемониальная погремушка из сыромятной кожи буйвола племени Uncompahgre Ute , наполненная кристаллами кварца. Вспышки света видны, когда кристаллы кварца подвергаются механическому напряжению в темноте.

Кварцевые погремушки коренного народа Ункомпагре-Юте

Коренные жители Анкомпагре -Юте из Центрального Колорадо являются одной из первых задокументированных групп людей в мире, которым приписывают применение механолюминесценции, включающей использование кристаллов кварца для генерации света. [1] [2] Юте изготавливали уникальные церемониальные погремушки из сыромятной кожи буйволов, которые они заполняли прозрачными кристаллами кварца, собранными в горах Колорадо и Юты. Когда погремушки трясли ночью во время церемоний, трение и механическое напряжение кристаллов кварца, соударяющихся друг с другом, производили вспышки света, видимые через полупрозрачную шкуру буйвола.

Ранние научные отчеты

Первое зарегистрированное наблюдение приписывается английскому ученому Фрэнсису Бэкону , когда он записал в своем труде 1620 года Novum Organum , что «хорошо известно, что весь сахар , будь то засахаренный или простой, если он твердый, будет искриться, если его разбить или поскоблить в темноте». [3] Ученый Роберт Бойль также сообщил о некоторых своих работах по триболюминесценции в 1663 году. [4] В 1675 году астроном Жан-Феликс Пикар заметил, что его барометр светился в темноте, когда он его нес. Его барометр состоял из стеклянной трубки, которая была частично заполнена ртутью. Пустое пространство над ртутью светилось всякий раз, когда ртуть скользила по стеклянной трубке. [5]

В конце 1790-х годов производство сахара начало производить более очищенные кристаллы сахара. Эти кристаллы были сформированы в большой твердый конус для транспортировки и продажи. Этот твердый сахарный конус должен был быть разбит на пригодные для использования куски с помощью устройства для откусывания сахара . Люди начали замечать, что крошечные вспышки света были видны, когда сахар «откусывался» при слабом освещении, что является установленным примером триболюминесценции. [6]

Механизм действия

Остается несколько неясностей относительно этого эффекта. Текущая теория триболюминесценции, основанная на кристаллографических, спектроскопических и других экспериментальных данных, заключается в том, что при разрушении асимметричных материалов заряд разделяется. Когда заряды рекомбинируют, электрический разряд ионизирует окружающий воздух, вызывая вспышку света. Исследования также показывают, что кристаллы, которые демонстрируют триболюминесценцию, часто лишены симметрии и являются плохими проводниками. [7] Однако существуют вещества, которые нарушают это правило и не обладают асимметрией, но демонстрируют триболюминесценцию, такие как гексакис(антипирин)тербий иодид. [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 биологическое явление триболюминесценции контролируется рекомбинацией свободных радикалов во время механической активации. [9]

Примеры

В обычных материалах

Триболюминесценция в кварце

Определенные бытовые материалы и вещества могут обладать следующими свойствами:

Алмаз может начать светиться при трении; это иногда случается с алмазами , когда шлифуется грань или алмаз распиливается в процессе резки . Алмазы могут флуоресцировать синим или красным цветом. Некоторые другие минералы, такие как кварц , являются триболюминесцентными, испуская свет при трении друг о друга. [19]

Триболюминесценция как биологическое явление наблюдается при механической деформации и контактной электризации эпидермальной поверхности костных и мягких тканей, при пережевывании пищи, при трении в суставах позвонков, при половом акте, при кровообращении . [20] [21]

Гидроабразивная резка керамики (например, плитки ) создает желто-оранжевое свечение в точке соприкосновения очень высокоскоростного потока.

Химические вещества, известные своей триболюминесценцией

Фрактолюминесценция

Фрактолюминесценция часто используется как синоним триболюминесценции. [27] Это излучение света из трещины (а не трения) кристалла , но трещины часто происходят при трении. В зависимости от атомного и молекулярного состава кристалла, когда кристалл трескается, может произойти разделение зарядов, делая одну сторону треснувшего кристалла положительно заряженной , а другую сторону отрицательно заряженной. Как и в триболюминесценции, если разделение зарядов приводит к достаточно большому электрическому потенциалу , может произойти разряд через зазор и через газовую ванну между интерфейсами. Потенциал, при котором это происходит, зависит от диэлектрических свойств газовой ванны. [28]

Распространение ЭМИ при гидроразрыве

Излучение электромагнитного излучения (ЭМИ) во время пластической деформации и распространения трещин в металлах и горных породах было изучено. Излучение ЭМИ от металлов и сплавов также было исследовано и подтверждено. Молоцкий представил механизм дислокации для 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 непокрытых и покрытых металлом металлах и сплавах. [30]

ЭМИ во время микропластической деформации и распространения трещин из нескольких металлов и сплавов, а также генерация переходного магнитного поля во время образования шейки в ферромагнитных металлах были описаны Мисрой (1973–75), что было подтверждено и исследовано несколькими исследователями. [31] Тудик и Валуев (1980) смогли измерить частоту ЭМИ во время разрыва при растяжении железа и алюминия в области 100 ТГц с помощью фотоумножителей . Шрилакшми и Мисра (2005a) также сообщили о дополнительном явлении вторичного электромагнитного излучения в непокрытых и покрытых металлом металлах и сплавах. Если твердый материал подвергается напряжениям больших амплитуд, которые могут вызвать пластическую деформацию и разрушение, происходят такие излучения, как тепловое, акустическое, ионное и экзоизлучение.

Деформационно-индуцированное ЭМИ

Изучение деформации необходимо для разработки новых материалов. Деформация в металлах 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. ЭМИ-излучение зависит от ориентации зерен в отдельных кристаллах, поскольку свойства материалов различны в разных направлениях. [32] Амплитуда импульса ЭМИ увеличивается по мере роста трещины, поскольку разрываются новые атомные связи, что приводит к ЭМИ. Импульс начинает затухать по мере остановки трещинообразования. [33] Наблюдения из экспериментов показали, что излучаемые сигналы ЭМИ содержат смешанные частотные компоненты.

Методы испытаний для измерения ЭМИ

Наиболее широко используемый метод испытания на растяжение используется для характеристики механических свойств материалов. Из любой полной записи испытания на растяжение можно получить важную информацию об упругих свойствах материала, характере и степени пластической деформации, текучести, пределе прочности и вязкости. Информация, полученная из одного испытания, оправдывает широкое использование испытаний на растяжение в исследовании конструкционных материалов. Поэтому исследования излучений ЭМИ в основном основаны на испытании образцов на растяжение. Из экспериментов можно показать, что образование трещин растяжения возбуждает более интенсивный ЭМИ, чем трещины сдвига, увеличивая эластичность, прочность и скорость нагружения во время одноосного нагружения, увеличивая амплитуду. Коэффициент Пуассона является ключевым параметром для характеристики ЭМИ во время трехосного сжатия. [34] Если коэффициент Пуассона ниже, материалу сложнее деформироваться в поперечном направлении и, следовательно, существует более высокая вероятность новых трещин.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "BBC Big Bang on triboluminescence". Архивировано из оригинала 21.12.2019 . Получено 25.12.2019 .
  2. ^ Доусон, Тимоти (2010). «Изменение цветов: сейчас вы их видите, сейчас нет». Coloration Technology . 126 (4): 177–188. doi :10.1111/j.1478-4408.2010.00247.x.
  3. ^ Бэкон, Фрэнсис. Novum Organum Архивировано 2006-05-03 в Wayback Machine
  4. ↑ Бойль, Роберт (1663). КОПИЯ ПИСЬМА, которое мистер Бойль написал сэру Роберту Моррею, чтобы приложить к «Наблюдениям, касающимся сияющего алмаза». С. 391–411. {{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )
  5. ^ (Персонал) (1676). «Experience faire à l'Observatoire sur la Barometre simple touchant un nouveau Phenomene qu'on ya découvert» [Эксперимент, проведенный в [Парижской] обсерватории на простом барометре относительно нового явления, которое там было обнаружено]. Journal des Sçavans (парижское издание) (на французском языке): 112–113.
  6. ^ Вик, Фрэнсис Г. (1940). «Триболюминесценция сахара». JOSA . 30 (7): 302–306. doi :10.1364/JOSA.30.000302.
  7. ^ Фонтено, RS; Бхат, KN; Холлерман, WA; Аггарвал, MD; Нгуен, KM (2012). «Сравнение триболюминесцентного выхода и времени затухания для европия дибензоилметида триэтиламмония, синтезированного с использованием различных растворителей». CrystEngComm . 14 (4). Королевское химическое общество (RSC): 1382–1386. doi :10.1039/c2ce06277a. ISSN  1466-8033.
  8. ^ W. Clegg, G. Bourhill и I. Sage (апрель 2002 г.). «Трииодид гексакиса(антипирина-O)тербия(III) при 160 К: подтверждение центросимметричной структуры для блестяще триболюминесцентного комплекса». Acta Crystallographica Section E . 58 (4): m159–m161. doi : 10.1107/S1600536802005093 .
  9. ^ Орел, ВЕ; Алексеев, СБ; Гриневич, Ю.А. (1992), "Механолюминесценция: метод анализа лимфоцитов при неоплазиях", Биолюминесценция и хемилюминесценция , 7 (4): 239–244, doi :10.1002/bio.1170070403, PMID  1442175
  10. ^ Сандерсон, Кэтрин (22 октября 2008 г.). «Липкая лента генерирует рентгеновские лучи». Nature : news.2008.1185. doi :10.1038/news.2008.1185.
  11. ^ Карасев, В. В.; Кротова, Н. А.; Дерягин, Борис Владимирович (1953). Исследование электронной эмиссии при снятии слоя высокополимера со стекла в вакууме . OCLC  1037003456.
  12. ^ Камара, К. Г.; Эскобар, Дж. В.; Хирд, Дж. Р.; Путтерман, С. Дж. (2008). «Корреляция между наносекундными рентгеновскими вспышками и трением прилипания-скольжения в отслаивающейся ленте». Nature . 455 (7216): 1089–1092. Bibcode :2008Natur.455.1089C. doi :10.1038/nature07378. S2CID  4372536.
  13. ^ Чанг, Кеннет (2008-10-23). ​​«Скотч раскрывает силу рентгеновского излучения». The New York Times . Архивировано из оригинала 2017-09-30 . Получено 2017-02-25 .
  14. ^ Кэтрин Бурзак (2008-10-23). ​​"Рентгеновские лучи, сделанные с помощью скотча". Обзор технологий . Архивировано из оригинала 2012-05-14 . Получено 2012-10-09 .
  15. ^ Кришна, GN; Чоудхури, SKRoy; Бисвас, A. (2014). "Рентгеновское излучение при трении металлов" (PDF) . Трибология в промышленности . 36 (3): 229–235. ProQuest  2555415391.
  16. ^ Alexander, Andrew J. (5 сентября 2012 г.). «Механизм межфазного переноса ионов для интенсивной люминесценции, наблюдаемой при открытии самозапечатывающихся конвертов» (PDF) . Langmuir . 28 (37). Американское химическое общество (ACS): 13294–13299. doi :10.1021/la302689y. hdl : 20.500.11820/78782d2a-b87f-4fda-813c-6a282d1fd9c6 . ISSN  0743-7463. PMID  22924818. S2CID  32480331.
  17. ^ "Триболюминесценция". Архивировано из оригинала 2009-10-20.
  18. ^ "Триболюминесценция". Sciencenews.org. 1997-05-17. Архивировано из оригинала 1997-06-26 . Получено 2012-10-09 .
  19. ^ "Rockhounding Arkansas: Experiments with Quartz". Rockhoundingar.com. Архивировано из оригинала 2012-04-24 . Получено 2012-10-09 .
  20. ^ Орел, В. Е. (1989). Триболюминесценция как биологическое явление и методы ее исследования . Биологическая люминесценция: труды первой международной школы, Замок Ксёнж, Вроцлав, Польша, 20-23 июня 1989 г. Сингапур: World Scientific. стр. 131–147. doi :10.13140/RG.2.1.2298.5443. ISBN 9789810204051.
  21. ^ Орел, Валерий Е.; Алексеев, Сергей Б.; Гриневич, Юрий А. (октябрь 1992 г.). «Механолюминесценция: метод анализа лимфоцитов при неоплазии». Журнал биолюминесценции и хемилюминесценции . 7 (4): 239–244. doi :10.1002/bio.1170070403. PMID  1442175.
  22. ^ Hurt, CR; Mcavoy, N.; Bjorklund, S.; Filipescu, N. (октябрь 1966 г.). "Высокоинтенсивная триболюминесценция в тетракис (дибензоилметид)-триэтиламмонии европия". Nature . 212 (5058): 179–180. Bibcode :1966Natur.212R.179H. doi :10.1038/212179b0. S2CID  4165699.
  23. ^ Фонтено, Росс; Бхат, Камала; Холлерман, Уильям А; Аггарвал, Мохан (1 сентября 2016 г.). «Европий тетракис дибензоилметид триэтиламмоний: обзор синтеза, добавок и приложений». Тезисы заседаний ECS . MA2016-02 (42): 3158. doi :10.1149/ma2016-02/42/3158.
  24. ^ "Создание синих кристаллов с эффектом ударного свечения (демонстрация триболюминесценции)". YouTube .
  25. ^ Маркетти, Фабио; Ди Никола, Коррадо; Петтинари, Риккардо; Тимохин, Иван; Петтинари, Клаудио (10 апреля 2012 г.). «Синтез фотолюминесцентного и триболюминесцентного соединения меди(I): эксперимент для передовой лаборатории неорганической химии». Журнал химического образования . 89 (5): 652–655. Bibcode : 2012JChEd..89..652M. doi : 10.1021/ed2001494.
  26. ^ Erikson J (октябрь 1972 г.). "N-ацетилантраниловая кислота. Высокотриболюминесцентный материал". J Chem Educ . 49 (10): 688. Bibcode : 1972JChEd..49..688E. doi : 10.1021/ed049p688.
  27. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «триболюминесценция». doi :10.1351/goldbook.T06499
  28. ^ Примечание: Это явление можно продемонстрировать, вынув лед из морозильника в темной комнате, где лед издает трескающиеся звуки от внезапного теплового расширения. Если окружающий свет достаточно тусклый, можно наблюдать вспышки белого света от трескающегося льда.
  29. ^ Чаухан, VS1 (2008), «Влияние скорости деформации и повышенной температуры на излучение электромагнитного излучения во время пластической деформации и распространения трещин в листах титана марки 2 ASTM B 265», Журнал материаловедения , 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 )
  30. ^ Шрилакшми, Б.; Мисра, А. (8 сентября 2005 г.). «Вторичное электромагнитное излучение во время пластической деформации и распространения трещин в непокрытой и покрытой оловом обычной углеродистой стали». Журнал материаловедения . 40 (23). Springer Science and Business Media LLC: 6079–6086. doi :10.1007/s10853-005-1293-4. ISSN  0022-2461. S2CID  135922668.
  31. ^ Чаухан, Вишал С.; Мисра, Ашок (1 июля 2010 г.). «Электромагнитное излучение во время пластической деформации при неограниченном квазистатическом сжатии металлов и сплавов». Международный журнал исследований материалов . 101 (7). Walter de Gruyter GmbH: 857–864. doi :10.3139/146.110355. ISSN  2195-8556. S2CID  138866328.
  32. ^ КУМАР, Раджив (2006), «Влияние параметров обработки на излучение электромагнитного излучения во время пластической деформации и распространения трещин в медно-цинковых сплавах», Журнал Zhejiang University Science A , 7 (1): 1800–1809, doi :10.1631/jzus.2006.a1800, S2CID  122149160
  33. ^ Фрид, В.; Рабинович, А.; Бахат, Д. (7 июля 2003 г.). «Электромагнитное излучение, вызванное трещинами». Journal of Physics D: Applied Physics . 36 (13): 1620–1628. Bibcode : 2003JPhD...36.1620F. doi : 10.1088/0022-3727/36/13/330. S2CID  250758753.
  34. ^ Фрид, В. (2000), «Метод электромагнитного излучения для управления инфузией воды в пластах, подверженных ударам горных пород», Журнал прикладной геофизики , 43 (1): 5–13, Bibcode : 2000JAG....43....5F, doi : 10.1016/S0926-9851(99)00029-4

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Триболюминесценция .