A buborékok és a szonolumineszcencia

CSILLAG A POHÁRBAN

Mindennapi életünkben naponta láthatunk szénsavas üdítőitalokban vagy sörben felszálló apró buborékokat. A hétköznapi tapasztalatok alapján kialakult képünkben jócskán alulbecsüljük, mire is képesek a buborékok. Például első hallásra meglepő lehet: ultrahangos gerjesztéssel elérhető, hogy egy gázbuborék órákig egy helyben lebegjen, kémiai reakciókat katalizáljon, sőt kékesfehér fényt bocsásson ki. Ezekkel a tulajdonságokkal foglalkozik az immár tízéves múltra visszatekintő egybuborékos szonolumineszcencia. A szakszó azt jelenti: hangból fény keletkezik, vagyis az ultrahang energiája egy gázbuborék révén fényenergiává alakítható.

Szonolumineszcencia fo lyadékkal teletöltött akusztikus rezonátorban* hozható létre (1. ábra). A képen az általunk tervezett henger alakú rezonátor látható működés közben. A középpontban levő apró, kékes pont a fénylő buborék. A rezonátor falára ragasztott piezokristály*-adók gerjesztik a rendszert (a képen alul és felül), amelyek a rájuk adott váltófeszültséget harmonikus mechanikai rezgéssé alakítják. A gerjesztéshez olyan frekvencia kell, amely m egfelel a rezonátor legelső akusztikus rezonanciafrekvenciájának*. Ez – a rezonátor méretétől és alakjától függően – a 20–40 kilohertzes ultrahang-tartományba esik. (A rezonátor méretét úgy kell megválasztani, hogy a rezonanciafrekvencia azmberi fül hallástartományán kívül legyen, nehogy a jelenség létrehozásához szükséges intenzitás halláskárosulást okozzon.)

Felfúvódik, összeroppan
Az akusztikus rezonanciáján gerjesztett folyadé kban állóhullámok alakulnak ki, s ezek az apró (mikrométer nagyságrendű) buborékot nemlineáris, gömbszimmetrikus rezgésre serkentik. A rezgő buborékra az állóhullám olyan erőt fejt ki, amely ellensúlyozza a felhajtóerőt: a buborékot a rezonátor centrumában – ott, ahol a legnagyobb a nyomásamplitúdó – stabilizálja. A 2. ábrán a buborék sugarának és a nyomásnak a változása látható az idő függvényében, egy akusztikus periódus alatt.
Az első félperiódusban a buborék felfúvó dik. A folyadék nagy tehetetlensége miatt a tágulás egy darabig még akkor is folytatódik, amikor a külső nyomás már nagyobb a belső gáznyomásnál. Amikor a buborék sugara maximális, a belső gáznyomás olyan alacsony, hogy szinte vákuumnak tekinthető, ezért a külső – egy atmoszféra nagyságrendű – nyomás hatására a buborék összeroppan. A minimális sugár elérésekor a buborékot alkotó gáz rövid időre erősen felhevül, s ez pikoszekundum (10-12 másodperc) nagyságrendű fényimpulzus kibo csátására vezet. A felvillanás minden periódusban megismétlődik, így a buborék az emberi szem számára a nagy frekvencia miatt folyamatosan világít.

5. ábra. Egy pohár vízben intenzív ultrahangadóval létrehozott sokbuborékos szonolumineszc encia. A kép hosszú expozíciós idővel készült, a fényes területeken a világító buborékok nagyobb valószínűséggel jelennek meg

A fénylő buborék létrehozásának az az egyik feltétele, hogy folyadékot részlegesen gáztalanítsák: a folyadékban oldott gázok koncentrációját a légköri nyomáson és szobahőmérsékleten érvényes értéknek kevesebb mint a felére csökkentsék. Erre azért van szükség, mert a gázokban túlságos an dús folyadékban a nagy nyomásamplitúdó hatására spontán buborékképződés (kavitáció) indul meg. A sok, egymással kölcsönhatásban levő buborék jelenléte pedig lehetetlenné teszi, hogy egyetlen buborék zavartalanul gömbszimmetrikus rezgéseket végezhessen, márpedig ez a folyamatos világítás kulcsa.

Négyszeres naphőmérsékleten
Az egybuborékos szonolumineszcencia első sikeres létrehozása óta eltelt tíz évben a jelenséget számos szempontból tanulmányozták. A kezdeti mérések a kibocsátott fény tulajdonságaira összpontosítottak, például a felvillanások időtartamára és spektrumára, mivel ezek értékes információk a fénykibocsátás mechanizmusának megértéséhez. A felvillanások meglepően rövidnek bizonyultak, a kísérleti paraméterek értékeitől függően 30–300 ps. A kibocsátott fény színképében (3. ábra) az egyre nagyobb fotonenergiák (csökkenő hullámhosszak) felé növekvő intenzitás, a folytonosság, továbbá a gáz és a folyadék anyagára j ellemző spektrumvonalak teljes hiánya mind arra enged következtetni, hogy a felvilla-
nás pillanatában a buborék belsejében rendkívül magas nyomás és hőmérséklet uralkodik. A spektrum 200 nanométer körüli hirtelen csökkenése („levágása”) annak következménye, hogy a víz ebben a tartományban (200 nm-nél rövidebb hullámhosszokon) teljesen elnyeli a sugárzást, így annak többi része már nem jut el a detektorig. A buborékot felületi sugárzónak feltételezve, a sugárzás színképből m eghatározott hőmérsékletének alsó határa 25 000 kelvin. Ez több mint a négyszerese a Nap felületi hőmérsékletének!
A mérésekből az is kiderült, hogy a fénykibocsátás rendkívül érzékeny a kísérleti körülmények megváltozására.

2. ábra. A buborék sugara (kék vonal) és a buborék környezetében mért nyomás eltérése a külső légnyomástól (piros vonal) egy akusztikus periódus ideje alatt (numerikus szimuláció)	3. ábra. A kibocsátott fény spektruma. A hibahatárral jelölt pontok a kalibrált spektrumot mutatják, az illesztett folytonos vonal a 25 000 kelvines hőmérsékleti sugárzás	4. ábra. A fotonok száma felvillanásonként, a víz hőmérsékletének függvényében

Ha például a vizet szobahőmérsékletről 5 Celsius-fok alá hűtjük, az elérhető legnagyobb fényesség durván a tízszeresére nő (4. ábra).
Fontos megjegyezni, hogy a jelenség nem hozható létre bármely folyadékkal vagy gázzal. Felfedezésekor vizet, illetve levegőt használtak (kísérleti szempontból ez a legegyszerűbb), és mindmáig úgy látszik, hogy ezzel a kombinációval érhető el a legstabilabb és a legintenzívebb fénykibocsátás. Hasonlóan jó tulajd onságúak a nemesgázbuborékok is akkor, ha vizet használunk folyadékként. Xenonnal néhány alkoholban is sikerült egybuborékos szonolumineszcenciát létrehozni, de a fényesség messze elmaradt a víz-levegő párosítással elérhetőtől. Különféle gázkeverékeket tanulmányozva kiderült, hogy a nemesgázok nélkülözhetetlenek a stabil szonolumineszcenciában.
A levegőbuborék sikere is a levegő 1 százalékos argontartalmának köszönhető. Sőt a kitartó kísérletezés és elméleti modellezés végül bebizonyította, hogy a világító „levegőbuborék” szinte teljes mértékben csak argont tartalmaz. Felvillanásokkor a buborék hőmérsékletén a nitrogén- és oxigénmolekulák disszociálnak, a felbomlott molekulák atomjaiból a vízben nagyon jól oldódó szabad gyökök képződnek. Ezeket a víz néhány periódus után kiszívja a buborékból, s csak a kémiai reakciókra immunis nemesgázok maradnak hátra.

Miniatűr csillag?
A számos kísérleti eredmény és intenzív elmé leti erőfeszítés ellenére a jelenséggel kapcsolatos problémák száma máig is alig csökkent. Az egyik fő kérdés, a fénykibocsátás valódi mechanizmusa még mindig tisztázásra vár. A javasolt elméleti modellek nagy száma és különbözősége mind a probléma összetettségére utal. Még az sincs tisztázva, hogy a jelenség megértéséhez elegendő-e a klasszikus mechanika ismerete.
A klasszikus modellek közül a szonolumineszcencia lökéshullám*-elmélete bizonyult a l egsikeresebbnek, és egyben ez a legtöbbet tanulmányozott modell. Az alapötlet az, hogy az összeomló buborék határfelületének a sebessége a minimális sugárhoz közeledve túllépi a gázban érvényes hangsebességet, s a buborék belsejében gömbszimmetrikus lökéshullám alakul ki. A lökéshullám a buborék centrumán áthaladva nagymértékben, 10 millió kelvin nagyságrendű hőmérsékletig felfűti a központi régiót. E modellben a világító buborék leginkább egy miniatűr csillaghoz hasonlítható, amelyben a hőmérséklet a középpontban jóval meghaladja a felszíni értéket. A modell hiányossága, hogy a jósolt fénykibocsátás túlságosan függ a tökéletes gömbszimmetriától.

Egészen a röntgensugárzásig
Fontos nyitott kérdés, amelynek megválaszolása segítene dönteni az elméleti modellek között, hogy mekkora fotonenergiákig folytatódik a sugárzás még azon túl, amit a víz az ultraibolya tartományból elnyel. Ennek nagyságára a modellektől függően igen külön böző értékeket jósoltak. Például a lökéshullámmodell bizonyos változataiban még kismértékű röntgensugárzás is várható, míg más modellek szerint a spektrum nem folytatódik a 200 nm-es határ mögött. A nehézséget maga a víz okozza azzal, hogy az ultraibolya és a lágyröntgen-tartomány között a sugárzást már akkor is tökéletesen elnyeli, ha a vízréteg vastagsága a milliméter törtrésze.
Szintén fontos kérdés a víz kitüntetett szerepe a folyadékok között. E kísérleti tapaszta lat okának pontosabb ismerete lehetővé tenné, hogy a jelenséget adott szempontból optimalizálják. Például kiderülne, hogy milyen kísérleti paraméterekkel érhető el az a legnagyobb fényesség, legrövidebb fényimpulzus vagy a legnagyobb precizitás, amely a gyakorlati felhasználás számára éppen szükséges.

Egybuborékos, sokbuborékos
Nehéz megjósolni – akárcsak más alapkutatások esetén, hogy a jövőben az egybuborékos szonolumineszcenciának milyen alkalmazásai leh etnek. Mindenesetre már a megértés mai szintjén is beszélhetünk néhány olyan alkalmazásról, amelyek a jelenség valamelyik különleges tulajdonságát használják ki. Például a kísérleti paraméterek bizonyos értéke mellett elérhető, hogy a buborék felvillanásai között eltelő idő 50 pikoszekundumos hibahatárral mindig ugyanaz legyen, így rendkívül precíz periodikus fényforrásként használható például mérési folyamatok időzítésére. Van, ahol a felvillanások időtartamának rövidsége is k ihasználható, ehhez idáig csak sokszorosan drágább speciális lézereket tudtak használni.
Az a nem mindennapi tény, hogy egyszerű és olcsó eszközökkel igen magas hőmérsékletek állíthatók elő egy gázbuborékon belül, sokakat arra a feltételezésre vezetett, hogy a jelenségnek a termonukleáris fúzió tanulmányozásában is szerepe lehet. Ebbe az irányba már megtették az első lépéseket azzal, hogy deutériummal közönséges és nehézvízben egyaránt sikeresen váltottak ki zonolumineszcenc iát.
ASz egybuborékos szonolumineszcencia kutatásának a jelentősége abban is megnyilvánul, hogy ez a sokbuborékosnak az alapesete (5. ábra), vagyis olyan rendszer, amelynek az ismerete elengedhetetlen a bonyolultabb kölcsönhatásban levő buborékrendszerek folyamatainak megértéséhez. Valójában a szonolumineszcencia jelenségének felfedezése a sokbuborékos esettel kezdődött az 1930-as években, de a bonyolultsága miatt lehetetlen volt a folyamat mélyére látni. Ennek ellenére a so kbuborékos szonolumineszcenciát régóta használják kémiai reakciók katalizálására, s ez egy önálló szakterület, a szonokémia kialakulására vezetett. A közelmúltban a jelenség sokbuborékos változatát sikeresen alkalmazták veszélyes hulladékok lebontására és amorf fémek laboratóriumi előállítására is.

(Folytatjuk)
Csabai István, Horváth Ákos, Simon Gábor
(ELTE Atomfizikai Tanszék és
Komplex Rendszerek Fiziká ja Tanszék)

Piezokristály: bizonyos kristályos anyagok (kvarc, bári um-titanát) erős mechanikai deformáció hatására elektromos teret hoznak létre. A jelenség fordítva is működik (reciprok piezoeffektus): elektromos tér hatására a kristály összehúzódik vagy kitágul. Az előbbi jelenséget használják ki a gázgyújtók szikráztatójában, az utóbbit a karórák csipogójában. Rezonancia: a kényszerrezgéssel kapcsolatos energiaátadási jelenség; a testek (folyadékok, üregek is) a különböző frekvenc iájú rezgéseket különböző mértékben nyelik el, a legerősebben a sajátfrekvenciájukhoz közeli ~frekvenciájúakat. Ilyenkor a testben a gerjesztő rezgés intenzitásának sokszorosa is mérhető. A hinta például, ha megfelelő ütemben lökdössük, kis erővel is jól belendíthető. A ~-frekvenciát a test anyaga és alakja együttesen szabja meg. Rezonátor: egy adott rezonanciafrekvenciához tervezett, általában a rezgések felerősítés ére szolgáló berendezés. A legtöbb hangszeren találhatunk ~-t. Lökéshullám: összenyomható közegben (pl. a levegőben) a hangsebességnél gyorsabb áramlás esetében fellépő ugrásszerű nyomás–, hőmérséklet– és sűrűségváltozással jellemezhető hullám.

 
Élet és Tudomány Archívum nyitólap | SuliNet nyitólap
Az ÉT-archívumban található dokumentumok szabadon másolhatók, de csak saját célra.
Nem kereskedelmi alkalmazásokhoz változtatás nélkül és a forrásra való megfelelő hivatkozással használhatók.
Minden más terjesztési és felhasználási forma esetében a szerző (a tulajdonos) engedélyét kell kérni.