Explosion coulombienne - Coulomb explosion

Animation de l'explosion coulombienne d'un amas d'atomes ionisés par le champ laser. Le niveau de teinte est proportionnel à la charge des atomes (plus gros). Les électrons (plus petits) sur cette échelle de temps ne sont vus que par stroboscopie et le niveau de teinte est leur énergie cinétique

Les explosions coulombiennes sont un mécanisme de transformation de l'énergie des champs électromagnétiques intenses en mouvement atomique et sont donc utiles pour la destruction contrôlée de molécules relativement robustes. Les explosions sont une technique importante dans l'usinage au laser et apparaissent naturellement dans certaines réactions à haute énergie.

Mécanisme

La répulsion coulombienne de particules ayant la même charge électrique peut rompre les liaisons qui maintiennent les solides ensemble. Lorsque cela est fait avec un faisceau laser étroit, une petite quantité de solide explose en un plasma de particules atomiques ionisées . Il peut être démontré que l'explosion de Coulomb se produit dans le même régime de paramètres critiques que la transition de phase superradiante, c'est-à-dire lorsque les interactions déstabilisantes deviennent écrasantes et dominent les mouvements de liaison d'amas solides de phonons oscillatoires natifs qui sont également caractéristiques de la synthèse du diamant .

Avec leur faible masse, les électrons de valence externes responsables de la liaison chimique sont facilement dépouillés des atomes, les laissant chargés positivement. Étant donné un état mutuellement répulsif entre des atomes dont les liaisons chimiques sont rompues, le matériau explose en un petit nuage de plasma d'ions énergétiques avec des vitesses plus élevées que celles observées dans l'émission thermique.

Utilisation technologique

Une explosion de Coulomb est une alternative "à froid" à la technique dominante de gravure laser d' ablation thermique , qui dépend du chauffage local, de la fusion et de la vaporisation des molécules et des atomes à l'aide de faisceaux moins intenses. La brièveté des impulsions jusqu'au régime de la nanoseconde est suffisante pour localiser l'ablation thermique - avant que la chaleur ne soit conduite loin, l'apport d'énergie (impulsion) est terminé. Néanmoins, les matériaux soumis à une ablation thermique peuvent sceller des pores importants dans la catalyse ou le fonctionnement de la batterie, et recristalliser ou même brûler le substrat, modifiant ainsi les propriétés physiques et chimiques sur le site de gravure. En revanche, même les mousses légères restent descellées après ablation par explosion de Coulomb.

Les explosions de Coulomb pour l'usinage industriel sont réalisées avec des impulsions laser ultra-courtes (picosecondes ou femtosecondes). Les énormes intensités de faisceau requises (seuils de 10 à 400 térawatts par centimètre carré, selon le matériau) ne sont pratiques à générer, façonner et livrer que pendant de très brefs instants. La gravure par explosion de Coulomb peut être utilisée dans n'importe quel matériau pour percer des trous, éliminer les couches de surface et les surfaces de texture et de microstructure ; par exemple, pour contrôler le chargement de l'encre dans les presses à imprimer.

Apparence dans la nature

L'imagerie par caméra à haute vitesse des métaux alcalins explosant dans l'eau a suggéré que l'explosion est une explosion de coulomb.

Lors d' une explosion nucléaire sur la base fission de l' uranium, 167 MeV est émis sous la forme d'une explosion coulombienne entre chaque noyau avant d'uranium, l'énergie électrostatique de répulsion entre les deux fission des noyaux filles , se traduit par l' énergie cinétique des produits de fission que entraîne à la fois le principal conducteur du rayonnement du corps noir qui génère rapidement la formation de plasma dense chaud/ boule de feu nucléaire et donc aussi les effets de souffle et thermiques ultérieurs.

Au moins un article scientifique suggère que l'explosion de coulomb (plus précisément, la répulsion électrostatique des groupes carboxyles dissociés de l'acide polyglutamique) pourrait faire partie de l'action explosive des nématocytes, les cellules urticantes des organismes aquatiques du phylum Cnidaria .

Imagerie d'explosion de Coulomb

Les molécules sont maintenues ensemble par un équilibre de charge entre les électrons négatifs et les noyaux positifs. Lorsque plusieurs électrons sont expulsés, soit par irradiation laser, soit par bombardement à l'aide d'ions hautement chargés, les noyaux restants, mutuellement répulsifs, se séparent dans une explosion de Coulomb. La structure de molécules simples en phase gazeuse peut être déterminée en suivant les trajectoires des fragments.

Voir également

Les références