Звук с температурой в тысячи градусов

 

Звук с температурой в тысячи градусов Не требуется никого убеждать, что современная физика приносит человеку конкретную практическую пользу. Лазеры, полупроводники, «умные» материалы, ядерная

Не требуется никого убеждать, что современная физика приносит человеку конкретную практическую пользу. Лазеры, полупроводники, «умные» материалы, ядерная энергетика уже давно нашли практическое применение и стали частью нашей повседневной жизни. Разумеется, когда-то непосредственная польза от свежеоткрытых разделов физики была далеко не очевидна. Сейчас, наверное, забавно представлять себе то время, когда квантовая и ядерная физика, изучающие микроскопические, недоступные невооруженному глазу процессы, выглядели чем-то абстрактным, не имеющим никакого отношения к обычной, макроскопической жизни.
Менее забавно осознавать, что сегодняшняя ситуация мало отличается от того времени. За последние годы и десятилетия появилось множество новых направлений фундаментальной физики, которые кажутся «наукой в себе»: ведь прямо сейчас они никак не используются в повседневной жизни, а обсуждаются лишь в «скучных» научных статьях. Требуется внимательный взгляд, чтобы проследить, как такие обсуждения переходят от теоретических гипотез к экспериментальным проверкам и далее к конструкторским реализациям, чтобы осознать, какие неочевидные практические применения они могут найти.
Судя по научным публикациям последних лет, одной из таких перспективных технологий будущего должна стать сонолюминесценция.
Свечение, порожденное звуком
Сонолюминесценцией (буквально, «свечением, порожденным звуком») называют красивое физическое явление: если в воде сфокусировать достаточно мощную ультразвуковую волну, то в центре появляется яркий, точечный источник голубоватого света. Несмотря на то что само явление свечения при пропускании сильной звуковой волны известно уже 70 лет, долгое время оно ставило ученых в тупик. Было ясно, что промежуточным звеном между звуком и светом является процесс кавитации: сфокусированная звуковая волна в фазе разрежения как бы «разрывает» воду, создает пузырек, который затем моментально схлопывается под действием той же звуковой волны в фазе сжатия. Именно в последнее мгновение своего коллапса этот кавитационный пузырек и испускает короткую вспышку света. При стабильной звуковой волне рождение и коллапс пузырька происходят в одном и том же месте тысячи раз в секунду, порождая яркое стабильное свечение.
Главный вопрос, однако, остается без ответа: почему пузырек светится, какова природа этого излучения
В течение первого полувека своей истории сонолюминесценция изучалась в основном фотографическими методами. Лишь в 1980-е годы были разработаны установки, генерировавшие яркое непрерывное свечение. Это позволило экспериментаторам впервые изучить его спектр, то есть выяснить, свет каких длин волн в нем присутствует, а значит, какие именно молекулы испускают этот свет. Такой спектроскопический анализ всегда был безотказным методом, позволявшим физикам узнать, что и при какой температуре светится, будь то светлячок, вспышка молнии или свет далеких галактик. Однако в случае сонолюминесценции вместо ответа на вопрос возникла еще большая загадка: как показали опыты Б. Барбера из Калифорнии и его коллег, спектр имел гладкий вид, растущий в сторону ультрафиолета, без каких-либо заметных отдельных линий излучения.
Такая картина может иметь место лишь в двух случаях: либо речь идет о «холодном» излучении непонятного происхождения, либо излучение имеет тепловое происхождение, но тогда вещество должно быть нагрето до невероятно высокой температуры в десятки тысяч градусов, то есть больше, чем на поверхности Солнца. В дополнение к этому выяснилось, что из всех жидкостей наиболее яркое свечение наблюдается именно в воде, а точнее, в холодной воде с растворенными в ней благородными газами.
Эксперимент и еще раз эксперимент!
Ключевыми для разрешения всей этой совокупности загадок стали эксперименты по многопузырьковой сонолюминесценции, проведенные рядом исследовательских групп в середине 1990-х годов. Многопузырьковая сонолюминесценция (свечение, вызываемое непрерывным рождением и схлопыванием множества отдельных пузырьков) является как бы «ухудшенной» версией обычной, однопузырьковой сонолюминесценции, поскольку ультразвуковая волна в этом случае фокусируется не в точку, а в некоторый объем жидкости. Эксперименты показали, что свечение в этом случае тусклее, чем при единственном пузырьке, и, самое главное, в его спектре присутствовали отдельные яркие линии излучения. Было установлено, что эти линии излучения принадлежали возбужденным гидроксил-радикалам — осколкам молекулы воды, появляющимся при высокой температуре, а также атомам и ионам растворенных в воде веществ. Температура светящегося газа, восстановленная по этим линиям излучения, оказалась порядка 2000-5000 кельвинов.
Раз такие температуры достигаются даже в «ослабленном» случае, то становится неудивительным и спектр однопузырьковой сонолюминесценции. Эксперименты, проведенные в начале 2000-х годов группой Кеннета Саслика (Kenneth Suslick) из Иллинойса и другими исследователями, подтвердили, что в этом случае температура может достигать нескольких десятков тысяч кельвинов. При таких высоких температурах (а значит, и высоких давлениях) в пузырьке отдельные возбужденные ионы так часто сталкиваются друг с другом, что попросту не успевают «начать высвечивать» свои характерные линии излучения, чем и объясняется гладкость спектра.
Прогресс в эксперименте привел и к формированию теоретического описания сонолюминесценции. В общих чертах ситуация такова: под действием давления ультразвуковой волны пузырек сжимается с огромным ускорением, нагревая находящиеся внутри пары воды и всего того, что было в воде растворено. Однако это только «первая ступень» нагрева. В последние моменты своего существования пузырек достигает сверхзвуковой скорости сжатия и порождает схлопывающуюся ударную волну, которая может скачком поднять температуру еще в несколько раз. Эффективность нагрева зависит от состава газа: известно, что чем проще устроены молекулы газа, тем сильнее он нагревается при сжатии. Это и объясняет влияние инертных (одноатомных) газов на яркость сонолюминесцентного света. Кроме того, самое эффективное сжатие испытывает один-единственный сферически симметричный пузырек, что и приводит к столь высокой температуре однопузырьковой сонолюминесценции. Интересно, как переплелись при описании этого явления самые разные области физики: акустика, сверхзвуковая гидродинамика, теория устойчивости, молекулярная физика, физика плазмы.
Лаборатория экстра-класса для химика и материаловеда
Еще до окончательного прояснения природы сонолюминесценции ученые научились использовать ее для проведения химических реакций в экстремальных условиях схлопывающегося пузырька: так возникла сонохимия. В принципе, ультразвук может порождать химические реакции и непосредственно без свечения, однако в ряде случаев сонолюминесцентный свет играет ключевую роль.
Одно из таких направлений — изучение экзотических химических реакций, идущих лишь при высоких температурах. Действительно, вместо того чтобы конструировать специальную печь с высокими температурами и не менее высокими требованиями к ее безопасности, достаточно лишь растворить реагенты в воде и … включить звук. Кавитация всё сделает сама: сконцентрирует энергию звука в микроскопическом объеме, нагреет его до необходимой температуры и проведет химическую реакцию в течение заданного времени. Ученому потребуется лишь вооружиться спектрометром и извлечь из сонолюминесцентного свечения всю необходимую ему информацию. Сонолюминесценция одновременно выступает в роли катализатора реакции, которая не идет сама по себе, и измеряющего ее прибора.
Сонолюминесценция выглядит очень перспективным инструментом и для материаловедения. Например, уникальные возможности предоставляет тот факт, что пузырек нагревает и охлаждает «рабочий объем» со скоростью порядка 10 миллиардов градусов в секунду — результат, непревзойденный никакими иными методиками, доступными экспериментатору. Столь быстрое охлаждение помогает, в частности, «обогнать» процесс кристаллизации и превратить вещества, которые обычно имеют кристаллическую решетку, в аморфные. В 1990-е годы группой Саслика были впервые получены аморфные стеклоподобные микрокластеры железа с необычными магнитными свойствами и высокой каталитической способностью. Сонолюминесценция в этом случае работала как микроскопическая доменная печь с моментальным охлаждением, которая создавала аморфные кластеры и тут же спаивала их в высокопористую структуру.
Сонолюминесценция в медицине: диагностический прибор и скальпель
Наконец, в недалеком будущем сонолюминесценция может найти применения и в медицине. Современная медицина уже взяла на вооружение многие открытия физики XX века. Лазерная микрохирургия, резонансная ядерная томография, адаптация детекторов элементарных частиц для флюорографии, лечение злокачественных образований пучками высокоэнергетических протонов — всё это уже есть в арсенале медиков.
Однако наиболее многообещающим кажется использование сонолюминесценции непосредственно внутри организма. Действительно, с точки зрения медика этот процесс представляет собой нехирургический, неионизирующий, легко контролируемый и потенциально очень точный способ воздействия на внутренность живого организма: ведь размеры пузырька — доли миллиметра, а длительность воздействия может составлять доли миллисекунды. Несомненно, удачным стечением обстоятельств является и то, что живые организмы по большей части состоят из воды: ведь именно в воде сонолюминесцентный свет наиболее ярок.
Можно представить себе как диагностическое (томографическое), так и терапевтическое воздействие сонолюминесценции на организм. Для томографии мягких, полупрозрачных тканей ультразвуковая волна должна фокусироваться в требуемую точку мягких тканей организма, порождая там светящийся кавитационный пузырек. Датчик регистрирует это свечение, анализирует его спектр и выделяет отдельные линии излучения, проводя, таким образом, химический анализ заданной точки живого организма.
Необходимо подчеркнуть, что исследования в этом направлении уже начаты. В 1998 году физики из Техасского университета К. Шенг и Л. Ванг впервые экспериментально доказали, что сонолюминесцентная томография действительно позволяет «заглянуть» внутрь мягких полупрозрачных материалов. В 2002 году группа китайских и японских исследователей успешно опробовала эту методику и на живых мышах. Полученные исследователями изображения позволяли не только видеть мышь в «сонолюминесцентном свете», но и надежно распознавать отдельные мягкие ткани (печень, мышечную, жировую ткани), а также отслеживать распространение по организму введенного вещества, усиливавшего сонолюминесцентное свечение. Авторы подчеркивают, что все мыши успешно пережили эксперимент.
При терапевтическом воздействии сонолюминесценция будет выступать в роли «точечного скальпеля», причем гораздо более многопрофильного, чем применяемый ныне «ультразвуковой резак». Сонолюминесценция сможет не только точечно разрушать злокачественные образования, но и проводить химические реакции в заданном месте организма. Представляется вполне вероятным, что в клинике будущего пациент будет получать препарат, содержащий нанокапсулы (например, углеродные нанотрубки) с биоактивными реагентами, которые в «запаянном» состоянии безопасны для организма. Препарат рассасывается по организму, сонолюминесценция раскрывает капсулы и в заданной точке организма и в течение заданного промежутка времени проводит химическую реакцию.
Конечно, бросаются в глаза и биологически вредные аспекты сонолюминесцентного воздействия, начиная от механического и теплового вмешательства в организм и заканчивая образованием свободных радикалов. Безусловно, потребуется подробнейшее исследование того, можно ли их снизить до приемлемого уровня. Однако физические характеристики нового потенциального медицинского инструмента столь впечатляющи, что развитию таких методик, по-видимому, будет посвящено в ближайшие годы немало работ.

Источник

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *