Введение

Механическое генерирование света

Триболюминесценция – это явление, при котором свет генерируется при механическом разделении, разрыве, царапании, дроблении или трении материала (см. трибологию). Механизм этого явления полностью не изучен, но в большинстве случаев, по-видимому, обусловлен разделением и воссоединением статических электрических зарядов, см. также трибоэлектрический эффект. Термин происходит от греческого τρίβειν ("тереть"; см. трибологию) и латинского lumen (свет). Триболюминесценцию можно наблюдать при разламывании кристаллов сахара и отклеивании клейкой ленты. Триболюминесценция часто является синонимом фрактолюминесценции (термин, используемый преимущественно для описания света, излучаемого при разрушении кристаллов). Триболюминесценция отличается от пьезолюминесценции тем, что пьезолюминесцентный материал излучает свет при деформации, а не при разрушении. Это примеры механической люминесценции, которая представляет собой люминесценцию, возникающую в результате любого механического воздействия на твердое тело.

Кварцевые гремучицы коренного народа Уте

Коренные жители Uncompahgre Ute из Центрального Колорадо – одна из первых задокументированных групп людей в мире, которой приписывают использование механиоломинесценции, а именно применение кварцевых кристаллов для генерации света. Уте изготавливали уникальные церемониальные погремушки из сыромятной кожи буйволов, которые наполняли прозрачными кварцевыми кристаллами, собранными в горах Колорадо и Юты. Когда погремушки встряхивали ночью во время церемоний, трение и механическое напряжение, возникающее при ударе кристаллов друг о друга, создавало вспышки света, видимые сквозь полупрозрачную кожу буйвола.

Ранние научные доклады

Первое зафиксированное наблюдение приписывается английскому ученому Фрэнсису Бэкону, который в 1620 году в своей книге Novum Organum отметил: "Хорошо известно, что любой сахар, будь то рафинад или обычный, если он твердый, будет искриться при разрушении или соскабливании в темноте". Ученый Роберт Бойл также доложил о своих исследованиях триболюминесценции в 1663 году. В 1675 году астроном Жан Феликс Пикар заметил, что его барометр светится в темноте, когда он его переносил. Барометр состоял из стеклянной трубки, частично заполненной ртутью. Пустое пространство над ртутью начинало светиться, когда ртуть скользила вниз по стеклянной трубке. В конце 1790-х годов производство сахара стало выпускать более рафинированные кристаллы сахара. Эти кристаллы формировались в большие твердые конусы для транспортировки и продажи. Этот твердый сахарный конус необходимо было разбивать на пригодные для использования куски с помощью специального инструмента для колки сахара. Люди начали замечать, что при слабом освещении видны крошечные вспышки света, когда сахар "колется", что является общеизвестным примером триболюминесценции.

Механизм действия

Остается несколько неясностей относительно этого эффекта. Современная теория триболюминесценции, основанная на кристаллографических, спектроскопических и других экспериментальных данных, заключается в том, что при разрушении асимметричных материалов происходит разделение зарядов. При рекомбинации этих зарядов электрический разряд ионизирует окружающий воздух, вызывая вспышку света. Дальнейшие исследования показывают, что кристаллы, демонстрирующие триболюминесценцию, часто лишены симметрии и являются плохими проводниками. Однако существуют вещества, которые противоречат этому правилу и не обладают асимметрией, но при этом проявляют триболюминесценцию, например, гексакис(антипирин)йодид тербия. Предполагается, что эти материалы содержат примеси, которые создают локальную асимметрию в веществе. Более подробную информацию о некоторых возможных процессах можно найти на странице, посвященной трибоэлектрическому эффекту. Биологическое явление триболюминесценции, как считается, контролируется рекомбинацией свободных радикалов при механической активации.

Химические вещества, известные своей триболюминесценцией

Европий тетракис (дибензоилметид) триэтиламоний излучает особенно яркие красные вспышки при разрушении его кристаллов. Трифенилфосфинбис(пиридин)тиоцианатомедь(I) излучает достаточно сильный синий свет при разрушении его кристаллов. Эта люминесценция не столь интенсивна, как красная, однако она все еще очень отчетливо видна невооруженным глазом в обычных условиях. N-ацетилантраниловая кислота излучает глубокий синий свет при разрушении ее кристаллов.

Фрактолюминесценция

Фрактолюминесценция часто используется как синоним триболюминесценции. Это излучение света, возникающее при разрушении (а не при трении) кристалла, хотя разрушение часто сопровождается трением. В зависимости от атомного и молекулярного состава кристалла, при его разрушении может происходить разделение зарядов, в результате чего одна сторона образовавшейся трещины становится положительно заряженной, а другая – отрицательно заряженной. Подобно триболюминесценции, если разделение зарядов создает достаточно большой электрический потенциал, может произойти разряд через образовавшуюся щель и через окружающий газ между поверхностями. Потенциал, при котором это происходит, зависит от диэлектрических свойств окружающего газа.

Пропаганда ЭМР во время фрактации

Изучено излучение электромагнитного излучения (ЭМИ) при пластической деформации и распространении трещин в металлах и горных породах. Излучение ЭМИ от металлов и сплавов также было исследовано и подтверждено. Молоцкий предложил дислокационный механизм для этого типа ЭМИ. В 2005 году Шрилакшми и Мисра сообщили о дополнительном явлении вторичного ЭМИ при пластической деформации и распространении трещин в не покрытых и металлопокрытых металлах и сплавах. Мисра (1973–75) сообщил о возникновении ЭМИ при микропластической деформации и распространении трещин в ряде металлов и сплавов, а также о генерации переходного магнитного поля при шейкообразовании в ферромагнитных металлах, что было подтверждено и исследовано другими учеными. Тудик и Валуев (1980) смогли измерить частоту ЭМИ при растяжном разрушении железа и алюминия в диапазоне 100 ТГц с помощью фотоумножителей. Шрилакшми и Мисра (2005a) также сообщили о дополнительном явлении вторичного электромагнитного излучения в не покрытых и металлопокрытых металлах и сплавах. Если твердый материал подвергается напряжениям большой амплитуды, способным вызвать пластическую деформацию и разрушение, возникают такие выбросы, как тепловые, акустические, ионные и экзоэмиссии.

Деформационная РЭС

Изучение деформации необходимо для разработки новых материалов. Деформация в металлах зависит от температуры, типа приложенного напряжения, скорости деформации, окисления и коррозии. Деформационно-индуцированное ЭМП можно разделить на три категории: эффекты в ионных кристаллических материалах, эффекты в горных породах и гранитах, и эффекты в металлах и сплавах. Эмиссия ЭМП зависит от ориентации зерен в отдельных кристаллах, поскольку свойства материала различны в разных направлениях. Амплитуда импульса ЭМП увеличивается до тех пор, пока растет трещина и разрываются новые атомные связи, что и приводит к возникновению ЭМП. Импульс начинает затухать, когда рост трещины останавливается. Экспериментальные наблюдения показали, что излучаемые сигналы ЭМП содержат компоненты смешанных частот.

Методы испытаний для измерения ЭМР

Наиболее широко используемый метод испытания на растяжение применяется для характеристики механических свойств материалов. По результатам полного протокола испытания на растяжение можно получить важную информацию об упругих свойствах материала, характере и степени пластической деформации, пределе текучести, прочности на растяжение и ударной вязкости. Значимость информации, получаемой из одного испытания, оправдывает широкое применение испытаний на растяжение в исследованиях конструкционных материалов. Поэтому исследования эмиссии электромагнитного излучения (ЭМИ) в основном базируются на испытаниях образцов на растяжение. Эксперименты показывают, что образование трещин растяжения возбуждает более интенсивное ЭМИ, чем трещины сдвига, а увеличение упругости, прочности и скорости нагружения при одноосном растяжении приводит к увеличению амплитуды. Коэффициент Пуассона является ключевым параметром для характеристики ЭМИ при триаксиальном сжатии. Чем ниже коэффициент Пуассона, тем сложнее материалу деформироваться в поперечном направлении и, следовательно, выше вероятность образования новых трещин.