การระเบิดคูลอมบ์
การระเบิดแบบคูลอมบ์เป็น กระบวนการ ทางฟิสิกส์ของสสารควบแน่นซึ่งโมเลกุลหรือโครงผลึกถูกทำลายโดยแรงผลักแบบคูลอมบ์ระหว่างอะตอมที่เป็นองค์ประกอบ การระเบิดแบบคูลอมบ์เป็นเทคนิคที่โดดเด่นในการตัดเฉือนด้วยเลเซอร์และเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในปฏิกิริยาพลังงานสูงบางชนิด
กลไก
การระเบิดแบบคูลอมบ์เริ่มต้นขึ้นเมื่อสนามไฟฟ้า ที่มีความเข้มสูง (มักมาจากเลเซอร์ ) กระตุ้นอิเล็กตรอนวงนอกสุดในของแข็ง ทำให้พวกมันหลุดออกจากระบบและเหลือไว้เพียงไอออน ที่มีประจุบวก พันธะเคมีที่ยึดของแข็งไว้ด้วยกันจะอ่อนลงเนื่องจากการสูญเสียอิเล็กตรอน ทำให้แรงผลักแบบคูลอมบ์ระหว่างไอออนเอาชนะพันธะเหล่านั้นได้ ผลที่ได้คือการระเบิดของไอออนและอิเล็กตรอน – หรือพลาสมา
เลเซอร์ต้องมีความเข้มสูงมากจึงจะทำให้เกิดการระเบิดแบบคูลอมบ์ได้ หากอ่อนเกินไป พลังงานที่ส่งให้กับอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังไอออนผ่านการจับคู่อิเล็กตรอน- โฟนอนซึ่งจะทำให้วัสดุทั้งหมดร้อนขึ้น หลอมเหลว และระเหยไปในเชิงความร้อนกลายเป็นพลาสมา ผลลัพธ์สุดท้ายจะคล้ายกับการระเบิดแบบคูลอมบ์ ยกเว้นว่าโครงสร้างละเอียดใดๆ ในวัสดุจะเสียหายจากการหลอมเหลวในเชิงความร้อน[ 1 ]
อาจแสดงให้เห็นได้ว่าการระเบิดของคูลอมบ์เกิดขึ้นในขอบเขตพารามิเตอร์เดียวกันกับการเปลี่ยนเฟสแบบซูเปอร์เรเดียนต์กล่าวคือ เมื่อปฏิสัมพันธ์ที่ไม่เสถียรมีมากเกินไปและครอบงำการเคลื่อนที่แบบสั่นของพันธะโฟนอน-ของแข็ง
การใช้เทคโนโลยี
การระเบิดแบบคูลอมบ์เป็นวิธีการแกะสลักด้วยเลเซอร์แบบ "เย็น" ที่เป็นทางเลือกแทนเทคนิคการแกะสลักด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิมที่เรียกว่าการระเหยด้วยความร้อน ซึ่งอาศัยการให้ความร้อนเฉพาะจุด การหลอมเหลว และการระเหยของโมเลกุลและอะตอมโดยใช้ลำแสงที่มีความเข้มต่ำกว่า ความสั้นของพัลส์ที่สั้นลงถึงระดับนาโนวินาทีก็เพียงพอที่จะทำให้เกิดการระเหยด้วยความร้อนเฉพาะที่–ก่อนที่ความร้อนจะถูกส่งไปไกล พลังงานที่ป้อนเข้าไป (พัลส์) ก็จะสิ้นสุดลง อย่างไรก็ตาม วัสดุที่ถูกระเหยด้วยความร้อนอาจอุดรูพรุนซึ่งมีความสำคัญในกระบวนการเร่งปฏิกิริยาหรือการทำงานของแบตเตอรี่ และอาจทำให้เกิดการตกผลึกใหม่หรือแม้กระทั่งเผาไหม้พื้นผิว ทำให้คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีบริเวณที่ถูกแกะสลักเปลี่ยนแปลงไป ในทางตรงกันข้าม แม้แต่โฟมที่มีน้ำหนักเบาก็ยังคงไม่ถูกอุดรูพรุนหลังจากถูกระเหยด้วยการระเบิดแบบคูลอมบ์
การระเบิดคูลอมบ์สำหรับการตัดเฉือนทางอุตสาหกรรมนั้นทำโดยใช้พัลส์เลเซอร์ ที่สั้นมาก ( พิโควินาทีหรือเฟมโตวินาที ) ความเข้มของลำแสงมหาศาลที่ต้องการ (10–400 เทราวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ขึ้นอยู่กับวัสดุ) นั้นสามารถสร้าง ขึ้นรูป และส่งได้เฉพาะในช่วงเวลาสั้นๆ เท่านั้น การกัดเซาะด้วยการระเบิดคูลอมบ์สามารถใช้กับวัสดุใดก็ได้เพื่อเจาะรู กำจัดชั้นผิว และสร้างพื้นผิวและโครงสร้างจุลภาคเช่น เพื่อควบคุมการโหลดหมึกในเครื่องพิมพ์[ 2 ]
ลักษณะที่ปรากฏตามธรรมชาติ
การถ่ายภาพด้วยกล้องความเร็วสูงของโลหะอัลคาไลที่ระเบิดในน้ำแสดงให้เห็นว่าการระเบิดเป็นการระเบิดแบบคูลอมบ์[ 3 ] [ 4 ]
ในระหว่างการระเบิดนิวเคลียร์ที่เกิดจากการแตกตัวของยูเรเนียม จะมีการปล่อยพลังงาน 167 MeVออกมาในรูปแบบของการระเบิดแบบคูลอมบ์ระหว่างนิวเคลียสของยูเรเนียมแต่ละตัว พลังงานไฟฟ้าสถิตแบบผลักกันระหว่างนิวเคลียสลูกสาว ที่เกิดจากการแตกตัวทั้งสอง จะเปลี่ยนพลังงานจลน์ของผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวเป็น พลังงานจลน์ ซึ่งส่งผลให้เกิดแรงขับเคลื่อนหลักของการแผ่รังสีของวัตถุดำที่สร้างพลาสมาหนาแน่นร้อน/ การก่อตัว ของลูกไฟนิวเคลียร์ อย่างรวดเร็ว และด้วยเหตุนี้จึงทำให้เกิดการระเบิดและผลกระทบทางความร้อนในภายหลังด้วย[ 5 ] [ 6 ]
นักวิทยาศาสตร์ที่ สถาบันสัตววิทยา แห่งมหาวิทยาลัยโคโลญได้เสนอแนะว่าการระเบิดคูลอมบ์ (โดยเฉพาะการผลักกันทางไฟฟ้าสถิตของกลุ่มคาร์บอกซิลที่แยกตัวออกจากกรดโพลีกลูตามิก) อาจเป็นส่วนหนึ่งของการกระทำที่ระเบิดได้ของเนมาโตไซต์ ซึ่งเป็นเซลล์ที่ต่อยในสิ่งมีชีวิตในน้ำของไฟลัม Cnidaria [ 7 ]
การถ่ายภาพการระเบิดคูลอมบ์
โมเลกุลยึดติดกันด้วยสมดุลของประจุระหว่างอิเล็กตรอนลบและนิวเคลียสบวก เมื่ออิเล็กตรอนหลายตัวถูกขับออกไป ไม่ว่าจะโดยการฉายรังสีเลเซอร์หรือการระดมยิงโดยใช้ไอออนที่มีประจุสูง นิวเคลียสที่เหลืออยู่ซึ่งผลักกันจะแยกออกจากกันในลักษณะการระเบิดแบบคูลอมบ์ โครงสร้างของโมเลกุลในสถานะแก๊สอย่างง่ายสามารถกำหนดได้โดยการถ่ายภาพซึ่งติดตามวิถีการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วน[ 8 ] [ 9 ]ณ ปี 2022 วิธีนี้สามารถใช้ได้กับโมเลกุลที่มีอะตอมมากถึง 11 อะตอม[ 10 ] [ 11 ]