Triboluminiscencia

La triboluminiscencia es un fenómeno en el que se genera luz cuando un material se separa, rasga, raya, aplasta o frota mecánicamente (véase tribología ). El fenómeno no se entiende por completo, pero parece que en la mayoría de los casos está causado por la separación y reunificación de cargas eléctricas estáticas ; véase también efecto triboeléctrico . El término proviene del griego τρίβειν ("frotar"; véase tribología ) y del latín lumen (luz). La triboluminiscencia se puede observar al romper cristales de azúcar y al despegar cintas adhesivas.

Triboluminiscencia es a menudo sinónimo de fractoluminiscencia (un término utilizado principalmente cuando se hace referencia únicamente a la luz emitida por cristales fracturados). La triboluminiscencia se diferencia de la piezoluminiscencia en que un material piezoluminiscente emite luz cuando se deforma, en lugar de romperse. Estos son ejemplos de mecanoluminiscencia , que es la luminiscencia resultante de cualquier acción mecánica sobre un sólido .

Los indígenas utes Uncompahgre del centro de Colorado son uno de los primeros grupos documentados del mundo a los que se les atribuye la aplicación de la mecanoluminiscencia, que implica el uso de cristales de cuarzo para generar luz. ^{[1] [2]} Los utes construían sonajeros ceremoniales únicos hechos de cuero crudo de búfalo que rellenaban con cristales de cuarzo transparentes recolectados en las montañas de Colorado y Utah. Cuando se agitaban los sonajeros por la noche durante las ceremonias, la fricción y la tensión mecánica de los cristales de cuarzo al chocar entre sí producían destellos de luz visibles a través del cuero translúcido de búfalo.

La primera observación registrada se atribuye al erudito inglés Francis Bacon , cuando escribió en su Novum Organum de 1620 que "es bien sabido que todo el azúcar , ya sea confitado o simple, si es duro, brillará cuando se rompa o se raspe en la oscuridad". ^[3] El científico Robert Boyle también informó sobre algunos de sus trabajos sobre triboluminiscencia en 1663. ^[4] En 1675, el astrónomo Jean-Felix Picard observó que su barómetro brillaba en la oscuridad mientras lo llevaba. Su barómetro consistía en un tubo de vidrio que estaba parcialmente lleno de mercurio. El espacio vacío sobre el mercurio brillaba cada vez que el mercurio se deslizaba por el tubo de vidrio. ^[5]

A finales de la década de 1790, la producción de azúcar comenzó a generar cristales de azúcar más refinados. Estos cristales se formaron en un gran cono sólido para su transporte y venta. Este cono de azúcar sólido tuvo que romperse en trozos utilizables utilizando un dispositivo para cortar azúcar . La gente comenzó a notar que se veían pequeñas ráfagas de luz cuando se "cortaba" el azúcar en condiciones de poca luz, un ejemplo establecido de triboluminiscencia. ^[6]

Aún quedan algunas ambigüedades sobre este efecto. La teoría actual de la triboluminiscencia, basada en evidencia cristalográfica, espectroscópica y experimental, es que al fracturarse materiales asimétricos, la carga se separa. Cuando las cargas se recombinan, la descarga eléctrica ioniza el aire circundante, lo que provoca un destello de luz. Las investigaciones sugieren además que los cristales que muestran triboluminiscencia a menudo carecen de simetría y son malos conductores. ^[7] Sin embargo, hay sustancias que rompen esta regla y que no poseen asimetría, pero muestran triboluminiscencia, como el yoduro de hexakis(antipirina)terbio. ^[8] Se cree que estos materiales contienen impurezas que hacen que la sustancia sea localmente asimétrica. Puede encontrar más información sobre algunos de los posibles procesos involucrados en la página sobre el efecto triboeléctrico.

Se cree que el fenómeno biológico de la triboluminiscencia está controlado por la recombinación de radicales libres durante la activación mecánica. ^[9]

Se puede observar que ciertos materiales y sustancias del hogar exhiben la propiedad:

• La cinta adhesiva normal sensible a la presión (" cinta Scotch ") muestra una línea brillante donde el extremo de la cinta se separa del rollo. ^[10] Los científicos soviéticos observaron en 1953 que despegar un rollo de cinta en el vacío producía rayos X. ^[11] El mecanismo de generación de rayos X se estudió más a fondo en 2008. ^{[12] [13] [14]} También se han observado emisiones de rayos X similares con metales. ^[15]
• Al abrir un sobre sellado con pegamento polimérico se puede generar luz que puede verse como destellos azules en la oscuridad. ^[16]
• Cuando se trituran los cristales de azúcar, se crean pequeños campos eléctricos que separan las cargas positivas y negativas y crean chispas al intentar reunirse. Los Wint-O-Green Life Savers funcionan especialmente bien para crear este tipo de chispas, porque el aceite de gaulteria ( salicilato de metilo ) es fluorescente y convierte la luz ultravioleta en luz azul . ^{[17] [18]}

Un diamante puede comenzar a brillar al frotarlo; esto sucede ocasionalmente cuando se le está puliendo una faceta o cuando se lo está cortando durante el proceso de tallado . Los diamantes pueden presentar fluorescencia azul o roja. Algunos otros minerales, como el cuarzo , son triboluminiscentes y emiten luz cuando se frotan entre sí. ^[19]

La triboluminiscencia como fenómeno biológico se observa en la deformación mecánica y la electrificación por contacto de la superficie epidérmica de los tejidos óseos y blandos, durante la masticación de alimentos, en la fricción en las articulaciones de las vértebras, durante las relaciones sexuales y durante la circulación sanguínea . ^{[20] [21]}

El corte abrasivo con chorro de agua de cerámica (por ejemplo, baldosas ) crea un brillo amarillo/naranja en el punto de impacto del flujo a muy alta velocidad.

• El tetrakis (dibenzoilmeturo)trietilamonio de europio emite destellos rojos particularmente brillantes tras la destrucción de sus cristales. ^{[22] [23]}
• El trifenilfosfinabis(piridina)tiocianato de cobre(I) emite una luz azul bastante intensa cuando se fracturan sus cristales. Esta luminiscencia no es tan extrema como la luminiscencia roja; sin embargo, sigue siendo muy claramente visible a simple vista en entornos estándar. ^{[24] [25]}
• El ácido N-acetilantranílico emite una luz azul profunda cuando sus cristales se fracturan. ^[26]

La fractoluminiscencia se utiliza a menudo como sinónimo de triboluminiscencia. ^[27] Es la emisión de luz a partir de la fractura (en lugar de frotamiento) de un cristal , pero la fractura a menudo ocurre con el frotamiento. Dependiendo de la composición atómica y molecular del cristal, cuando el cristal se fractura, puede ocurrir una separación de carga, haciendo que un lado del cristal fracturado esté cargado positivamente y el otro lado esté cargado negativamente. Al igual que en la triboluminiscencia, si la separación de carga da como resultado un potencial eléctrico lo suficientemente grande , puede ocurrir una descarga a través del espacio y a través del gas del baño entre las interfaces. El potencial al que esto ocurre depende de las propiedades dieléctricas del gas del baño. ^[28]

Se ha estudiado la emisión de radiación electromagnética (REM) durante la deformación plástica y la propagación de grietas en metales y rocas. También se han explorado y confirmado las emisiones de REM de metales y aleaciones. Molotskii presentó un mecanismo de dislocación para este tipo de emisión de REM. ^[29] En 2005, Srilakshmi y Misra informaron sobre un fenómeno adicional de REM secundaria durante la deformación plástica y la propagación de grietas en metales y aleaciones sin revestimiento y revestidos con metal. ^[30]

EMR durante la deformación microplástica y la propagación de grietas de varios metales y aleaciones y la generación de campos magnéticos transitorios durante el estrechamiento en metales ferromagnéticos fueron reportados por Misra (1973-75), que han sido confirmados y explorados por varios investigadores. ^[31] Tudik y Valuev (1980) pudieron medir la frecuencia EMR durante la fractura por tracción de hierro y aluminio en la región de 100 THz utilizando fotomultiplicadores . Srilakshmi y Misra (2005a) también informaron un fenómeno adicional de radiación electromagnética secundaria en metales y aleaciones sin recubrimiento y recubiertos con metal. Si un material sólido se somete a tensiones de grandes amplitudes, que pueden causar deformación plástica y fractura, ocurren emisiones como térmicas, acústicas, iónicas y exoemisiones.

El estudio de la deformación es esencial para el desarrollo de nuevos materiales. La deformación en los metales depende de la temperatura, el tipo de tensión aplicada, la velocidad de deformación, la oxidación y la corrosión. La EMR inducida por la deformación se puede dividir en tres categorías: efectos en materiales de cristales iónicos, efectos en rocas y granitos, y efectos en metales y aleaciones. La emisión de EMR depende de la orientación de los granos en cristales individuales, ya que las propiedades del material son diferentes en diferentes direcciones. ^[32] La amplitud del pulso EMR aumenta a medida que la grieta crece a medida que se rompen nuevos enlaces atómicos, lo que conduce a la EMR. El pulso comienza a decaer a medida que se detiene el agrietamiento. ^[33] Las observaciones de los experimentos mostraron que las señales EMR emitidas contienen componentes de frecuencia mixta.

El método de prueba de tracción más utilizado se utiliza para caracterizar las propiedades mecánicas de los materiales. De cualquier registro completo de prueba de tracción, se puede obtener información importante sobre las propiedades elásticas del material, el carácter y el grado de deformación plástica, el rendimiento y las resistencias a la tracción y la tenacidad. La información obtenida de una prueba justifica el uso extensivo de pruebas de tracción en la investigación de materiales de ingeniería. Por lo tanto, las investigaciones de las emisiones EMR se basan principalmente en la prueba de tracción de las muestras. A partir de experimentos, se puede demostrar que la formación de grietas de tracción excita EMR más intensa que el agrietamiento por cizallamiento, lo que aumenta la elasticidad, la resistencia y la velocidad de carga durante la carga uniaxial aumenta la amplitud. El coeficiente de Poisson es un parámetro clave para la caracterización de EMR durante la compresión triaxial. ^[34] Si el coeficiente de Poisson es menor, es más difícil para el material deformarse transversalmente y, por lo tanto, existe una mayor probabilidad de nuevas fracturas.

• Luz de terremoto
• Lista de fuentes de luz
• Piezoelectricidad
• Sonoluminiscencia
• Efecto triboeléctrico

• Martín Gil, Jesús; Martín Gil, Francisco J. (1978). "Triboluminiscencia de nuevas sales de uranilo". Revista de Educación Química . 55 (5): 340. Código bibliográfico : 1978JChEd..55..340G. doi :10.1021/ed055p340.
• Matousek, et al. (2023). "Explorando la triboluminiscencia y el paramagnetismo: una síntesis rápida de complejos de Mn para laboratorios de química de escuelas secundarias y de pregrado". Revista de educación química . 100 (8): 3061–3069. doi : 10.1021/acs.jchemed.3c00372 . S2CID  260181412.
• Sweeting, Lind M. (septiembre de 1998). "Dulces de gaulteria y otros materiales triboluminiscentes". Departamento de Química . Experimentos científicos en casa. Universidad de Towson.
• Walton, AJ (1977). "Triboluminiscencia". Avances en Física . 26 (6): 887–948. doi :10.1080/00018737700101483.
• Xie, Y.; Li, Z. (2018). "Triboluminiscencia: recuperando el interés y nuevos aspectos" (PDF) . Chem . 4 (5): 943–971. doi :10.1016/j.chempr.2018.01.001.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Triboluminiscencia .

• "La ciencia detrás del azúcar resplandeciente". Physics World . 2006.
• "Correlación entre destellos de rayos X de nanosegundos y fricción de adherencia-deslizamiento en cinta adhesiva despegable". Nature . 455 (7216): 1089–1092. 23 de octubre de 2008. Bibcode :2008Natur.455.1089C. doi :10.1038/nature07378. S2CID  4372536.{{cite journal}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
• Discusión sobre triboluminiscencia en Tribo Net
• Haz que la cinta adhesiva brille en YouTube (2010)
• ¡¿Las curitas brillan al abrirlas?! - Misterios cotidianos en Youtube (2018)