explosión de Coulomb

Una explosión de Coulomb es un proceso de la física de la materia condensada en el que una molécula o red cristalina se destruye por la repulsión de Coulomb entre sus átomos constituyentes. Las explosiones de Coulomb son una técnica importante en el mecanizado láser y aparecen de forma natural en ciertas reacciones de alta energía.

Una explosión de Coulomb comienza cuando un campo eléctrico intenso (a menudo generado por un láser ) excita los electrones de valencia de un sólido, expulsándolos del sistema y dejando iones con carga positiva . Los enlaces químicos que mantienen unido el sólido se debilitan por la pérdida de los electrones, lo que permite que la repulsión de Coulomb entre los iones los supere. El resultado es una explosión de iones y electrones: un plasma .

El láser debe ser muy intenso para producir una explosión de Coulomb. Si es demasiado débil, la energía suministrada a los electrones se transferirá a los iones mediante el acoplamiento electrón- fonón . Esto provocará que todo el material se caliente, se funda y se ablacione térmicamente en forma de plasma. El resultado final es similar a una explosión de Coulomb, con la diferencia de que cualquier estructura fina del material resultará dañada por la fusión térmica. ^{[ 1 ]}

Se puede demostrar que la explosión de Coulomb ocurre en el mismo régimen de parámetros que la transición de fase superradiante , es decir, cuando las interacciones desestabilizadoras se vuelven abrumadoras y dominan sobre los movimientos oscilatorios de enlace fonón-sólido.

La explosión de Coulomb es una alternativa "fría" a la técnica dominante de grabado láser por ablación térmica , que se basa en el calentamiento, la fusión y la vaporización localizada de moléculas y átomos mediante haces menos intensos. La brevedad del pulso, incluso en el rango de los nanosegundos, es suficiente para localizar la ablación térmica : antes de que el calor se propague a gran distancia, el aporte de energía (pulso) ha finalizado. Sin embargo, los materiales ablacionados térmicamente pueden sellar poros importantes en catálisis o en el funcionamiento de baterías, y recristalizar o incluso quemar el sustrato, modificando así las propiedades físicas y químicas en el sitio de grabado. En contraste, incluso las espumas ligeras permanecen sin sellar después de la ablación por explosión de Coulomb.

Las explosiones de Coulomb para el mecanizado industrial se realizan con pulsos láser ultracortos ( de picosegundos o femtosegundos ). Las enormes intensidades de haz requeridas (umbrales de 10 a 400 teravatios por centímetro cuadrado, según el material) solo son prácticas para generar, dar forma y aplicar durante instantes muy breves. El grabado por explosión de Coulomb se puede utilizar en cualquier material para perforar agujeros, eliminar capas superficiales y texturizar y microestructurar superficies; por ejemplo, para controlar la carga de tinta en imprentas. ^{[ 2 ]}

Las imágenes de alta velocidad de metales alcalinos explotando en agua han sugerido que la explosión es una explosión de Coulomb. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Durante una explosión nuclear basada en la fisión del uranio, se emiten 167 MeV en forma de explosión coulombiana entre cada núcleo de uranio original. La energía electrostática repulsiva entre los dos núcleos hijos de la fisión se traduce en la energía cinética de los productos de fisión , lo que da como resultado tanto el impulsor principal de la radiación de cuerpo negro que genera rápidamente el plasma caliente y denso/ formación de bola de fuego nuclear , como también los efectos térmicos y de explosión posteriores. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Científicos del Instituto Zoológico de la Universidad de Colonia han sugerido que la explosión de Coulomb (específicamente, la repulsión electrostática de los grupos carboxilo disociados del ácido poliglutámico) puede ser parte de la acción explosiva de los nematocitos, las células urticantes en organismos acuáticos del filo Cnidaria . ^{[ 7 ]}

Las moléculas se mantienen unidas por un equilibrio de carga entre electrones negativos y núcleos positivos. Cuando se expulsan varios electrones, ya sea por irradiación láser o bombardeo con iones altamente cargados, los núcleos restantes, que se repelen mutuamente, se separan en una explosión de Coulomb. La estructura de moléculas simples en fase gaseosa se puede determinar mediante imágenes que rastrean las trayectorias de los fragmentos. ^{[ 8 ] [ 9 ]} A partir de 2022, el método puede funcionar con moléculas de hasta 11 átomos. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

• Grabado láser
• Corte láser
• Ionización por efecto túnel
• Imágenes de difracción de rayos X coherentes