Введение
Впрыск ЭМ-излучения в твердое тело, приводящий к разрыву химических связей.
Кулоновский взрыв – это процесс в физике конденсированного состояния, при котором молекула или кристаллическая решетка разрушаются вследствие кулоновского отталкивания между составляющими её атомами. Кулоновские взрывы широко используются в лазерной обработке материалов и наблюдаются естественным образом в некоторых высокоэнергетических реакциях.
Механизм
Куломбический взрыв начинается, когда интенсивное электрическое поле (часто от лазера) возбуждает валентные электроны в твердом теле, выбивая их из системы и оставляя после себя положительно заряженные ионы. Химические связи, удерживающие твердое тело вместе, ослабляются из-за потери электронов, что позволяет кулоновскому отталкиванию между ионами преодолеть эти связи. В результате происходит взрыв ионов и электронов – образуется плазма. Для возникновения куломбического взрыва лазер должен быть очень интенсивным. Если он недостаточно сильный, энергия, переданная электронам, будет передаваться ионам посредством электронно-фононного взаимодействия. Это приведет к нагреву всего материала, его плавлению и термической абляции в виде плазмы. Конечный результат схож с куломбическим взрывом, однако любая тонкая структура материала будет повреждена термическим плавлением. Можно показать, что куломбический взрыв происходит в том же диапазоне параметров, что и фазовый переход сверхизлучения, то есть когда дестабилизирующие взаимодействия становятся преобладающими и доминируют над колебательными движениями, обеспечивающими связь фононов в твердом теле.
Технологическое использование
Кулонский взрыв – это "холодная" альтернатива доминирующей лазерной технике термоабляции, основанной на локальном нагреве, плавлении и испарении молекул и атомов с использованием менее интенсивных пучков. Достаточно короткая длительность импульса, вплоть до наносекундного диапазона, для локализации термоабляции – прежде чем тепло успевает рассеяться, ввод энергии (импульс) завершается. Тем не менее, материалы, подвергшиеся термоабляции, могут запечатывать поры, важные для катализа или работы аккумуляторов, а также рекристаллизовываться или даже вызывать обугливание подложки, тем самым изменяя физические и химические свойства в зоне обработки. В отличие от этого, даже рыхлые структуры остаются открытыми после абляции, вызванной кулонским взрывом. Для промышленной обработки кулонские взрывы осуществляются с помощью ультракоротких (пикосекундных или фемтосекундных) лазерных импульсов. Необходимые огромные интенсивности пучка (пороговые значения 10–400 тераватт на квадратный сантиметр, в зависимости от материала) практически реализуемы только для генерации, формирования и доставки в течение очень коротких промежутков времени. Травление кулонским взрывом может применяться для любого материала для сверления отверстий, удаления поверхностных слоев, создания текстуры и микроструктуры поверхности; например, для контроля подачи краски в печатных машинах.
Появление в природе
Высокоскоростная съемка взрыва щелочных металлов в воде показала, что взрыв носит кулоновский характер. Во время ядерного взрыва, основанного на делении урана, 167 МэВ выделяется в виде кулоновского взрыва между каждым исходным ядром урана, при этом отталкивающая электростатическая энергия между двумя осколками деления преобразуется в кинетическую энергию продуктов деления, что является основным фактором, приводящим к излучению черного тела, которое быстро генерирует горячую плотную плазму и формирует ядерный огненный шар, а также вызывает последующие ударные и тепловые эффекты. Ученые из Зоологического института Кёльнского университета предположили, что кулоновский взрыв (в частности, электростатическое отталкивание диссоциированных карбоксильных групп полиглутаминовой кислоты) может играть роль во взрывном механизме нематоцитов – жалящих клеток водных организмов типа Книдарии.
Фотография взрыва Кулона
Молекулы удерживаются вместе балансом зарядов между отрицательными электронами и положительными ядрами. Когда несколько электронов удаляются, либо лазерным излучением, либо бомбардировкой высокозаряженными ионами, оставшиеся, отталкивающиеся друг от друга ядра разлетаются в результате кулоновского взрыва. Структуру простых молекул в газовой фазе можно определить, отслеживая траектории фрагментов с помощью визуализации. По состоянию на 2022 год метод позволяет работать с молекулами, содержащими до 11 атомов.