Сонолюмінесценція: що це, історія відкриття та сучасні дослідження

Сонолюмінесценція — це перетворення енергії звукових хвиль у короткі спалахи світла при колапсі кавітаційних бульбашок у рідині. Працівники Френцеля та Шультеса у 1934 р. виявили, що ультразвук у водному середовищі викликає потемніння фотопластинки, яке пояснили світінням від звукового поля[1]. У наш час розрізняють багатобульбашкову сонолюмінесценцію (MBSL) і сонолюмінесценцію одиночної бульбашки (SBSL): у першому випадку світяться численні випадкові бульбашки у звуковому полі, а в другому – одна стабільно затримана бульбашка[2][1]. В експериментах сонолюмінесценцію описують як дуже короткі (піко- або наносекундні) спалахи світла в ультрафіолетовому й видимому діапазонах[1][3]. Наприклад, у дослідах Барбера і Путтермена (1991) було виміряно, що світлові імпульси від однієї бульбашки тривають менше 100 піко­секунд[4]. Інтенсивність і спектр випромінювання залежить від газу у бульбашці та умов: звичайне SBSL у воді з аргоном дає широкий спектр без чітких ліній, схожий на випромінювання чорного тіла при температурі ≈2–4×10⁴ К [2].

Історія відкриття і ключові експерименти

Початки досліджень сягають 1930-х. У 1933 р. Марінеско й Трійя зробили перші спостереження світіння, а згодом Френцель і Шултеc (Кельнський університет) систематично експериментували з акустикою в резервуарах, виявивши «світіння звуку»[1]. Однак серйозна увага до явища з’явилася лише після відкриття одиничної бульбашки. Наприкінці 1980-х Феліпе Ґайтан (Університет Міссісіпі) і Лоуренс Крам отримали стабільне SBSL: вони відпускали одну крихітну бульбашку в стоячій ультразвуковій хвилі і побачили мікроскопічне світіння з крапкового джерела[5]. У 1990 р. Ґайтан із колегами опублікували перші докази стабільного SBSL). Незабаром Барбер та Путтерман показали, що спалахи дуже короткі (менше 100 пс)[4], що привернуло широку увагу. Наступні експерименти уточнили умови стабільного світіння та спектральний склад (стрелесвітло від аргону, хмари плазми тощо). Значущий внесок у огляд досягнень зробили Бреннер, Гільгенфельдт та Лозе (2002) у Rev. Mod. Phys., а Кеннет С. Саслік (U. Illinois) – у підручниках і оглядах[2][3].

Ілюстрація явища сонолюмінесценції

Сонолюмінесценція та можливі механізми явища

Найпростіша модель сонолюмінесценції – колапс кавітаційної бульбашки. Коли ультразвук створює низький тиск, у рідині зароджується бульбашка, яка при підвищенні тиску раптово стискається, викидаючи енергію. Така бульбашка діє як акустичний резонатор: під час колапсу відбувається адіабатне стиснення газу всередині бульбашки. Утворена миттєва хвиля стиску може розігнати газ до дуже високого тиску й температури. За оцінками, наприклад, куля із 6.7×10⁹ атомів гелію при стисненні дав би ~10 еВ енергії на атом, що відповідає температурі ~7.5×10^4 К (якби вся енергія перетворилася на тепло)[6]. На практиці ця енергія частково віддається навколишній рідині, але в бульбашці все одно досягаються тисячі або десятки тисяч градусів: достатньо для часткової іонізації газу.

Зображення світіння від сонолюмінесцентної бульбашки у воді з розчиненими газами під тиском 150 Торр. (A) – світіння від бульбашки, що рухається по тороїдальній траєкторії радіусом 15 мкм (1% He, 99% O₂, частота 16,5 кГц, експозиція 0,8 с); (B) – накопичене зображення світіння від стабільної бульбашки за 700 спалахів (1% Xe, 99% O₂, 41 кГц). Інтенсивність світіння закодована кольором: червоний відповідає найяскравішому. Просторова роздільність обмежена до ~1 мкм через об’єктив мікроскопа та рух бульбашки. Зображення: arxiv.org

Основний механізм світіння – теплове випромінювання плазми (наприклад, бремсштрухлунг та випромінювання зірваних атомів). У сферичному колапсі ефективна температура гелієвої бульбашки оцінюється ~4×10⁴ К  [2], і спостережуваний спектр близький до суцільного чорного тіла. Згідно з оглядом Брюннера та співавт. (2002), на цьому етапі газ у бульбашці частково іонізується, що створює плазму, а світло випромінюється головним чином за рахунок теплового процесу бремсштрухлунгу[2]. Ця ідея підтверджена емпірично: Саслік і співавт. показали, що у стаціонарних SBSL-спектрах переважає безлінійне випромінювання (плазмовий фон) на відміну від багатобульбашкових випадків[3]. Іншими словами, майже іонізований газ «горить» дуже коротко, випромінюючи бліде білій спектральний континуум без видимих ліній.

• Мікрокавітація. Це загальне пояснення: поява і руйнування мікроскопічних бульбашок (кавітаційних порожнин) у фокусі ультразвуку. Порожнини утворюються під дією низького тиску і знову колапсують при високому тиску, скеровуючи вібраційну енергію у вузький простір і зосереджуючи її.

• Адіабатне стиснення і нагрів. При сильному стиску робота ультразвукової хвилі значно підвищує температуру газу. Розв’язком для радіусу бульбашки є рівняння Рейлі–Плесета; наприклад, можна записати зміну внутрішньої температури T(t) під час стиснення як:

де R(t) – миттєвий радіус бульбашки (γ ≈1.4 для газу), R0R0​ – початковий радіус, aa – радіус «недоторканої» частини (або граничний радіус через випаровування)[7]. Це означає, що при значному зменшенні радіусу внутрішня температура швидко зростає. Аналогічно написують рівняння для тиску, зокрема можна показати, що під час колапсу тиск в надрах бульбашки може досягати сотень атмосфер (300–500 бар) при короткочасному нагріві до тисяч K[4].

• Плазма. Під час екстремального стиснення бульбашка стає настільки щільною і гарячою, що газ у ній стає плазмою з вільними електронами та іонами. Утворюється дуже коротка (наносекундного чи піко­секундного масштабу) гаряча плазмова «спалаха». Як описано вище, ця плазма є джерелом світла. У кислотних середовищах навіть спостерігали виразні лінії випромінювання атомів (що свідчить про хімреакції і високу температуру)[3].

• Екзотичні теорії. Деякі дослідники (напр., Дж. Швінгер) припускали, що зміна властивостей квантового вакууму при раптовому стиску бульбашки може виробляти фото­ни (аналог динамічного ефекту Казиміра). Хоча ці ідеї викликали дискусію, основною причиною випромінювання вважається все ж тепло­ве випромінювання плазми.

Акустична кавітація та сонолюмінесценція: у тонкому скляному циліндрі за допомогою ультразвуку (20–100 кГц) та тиску до 3 бар створюються стоячі хвилі, що викликають кавітацію. При високому тиску виникає багато бульбашок, а при нижчому можна левітувати окремі бульбашки, які світяться під час кожного акустичного циклу. Студент Шон Кордрі спостерігає синє світіння такої бульбашки. Зображення :web.pa.msu.edu

Наведемо деякі числові оцінки: якщо бульбашка збільшується з 44 до 2929,мкм при амплітуді звуку 1.351.35 атм, то її механічна енергія становить ≈10 eВ на атом (або ≈6×1096×109 атомів гелію на кілоберрі). Якщо вся ця енергія пішла б на нагрів газу, температура при кінцевому радіусі близько 0.40.4,мкм сягала б 7.5×1047.5×104К[6]. Фактичні температури трохи нижчі, але попередні оцінки близько 10–40 тис. К є типові[2][4]. Тиск у колапсуючій бульбашці, за розрахунками, досягає сотень атмосфер з короткочасним pico–nanosecond нагрівом.

Сучасний стан досліджень і застосування

До 2020–2025 рр. сонолюмінесценція залишається активним предметом досліджень і шукає нові застосування. Вона привертає інтерес як у фундаментальній фізиці (модель екстремальних умов нагріву і плазми), так і в прикладних галузях. В області фотоніки та матеріалознавства вивчають використання бульбашок як джерела широкого спектру УФ/видимого випромінювання[4]. Зокрема, нещодавно запропоновано генерувати спрямовані УФ-C-промені для знезараження води: типова сонолюмінесценція бульбашки дає слабке ізотропне випромінювання, але при розташуванні поблизу мікрочастинки із галогеноподібних металів (наприклад, рідкого галію) спалах світла може фокусуватися у вузький промінь через плазмонний резонанс[7].

Фактичні можливі застосування продовжують досліджуватися: у медицині обговорюють ультразвукову люмінесценцію як внутрішнє джерело світла для терапії чи візуалізації тканин, а також для стимулювання хемі- чи фотодинамічної терапії. У хімії та екології — як спосіб ініціювати високоефективні радіолітичні реакції (генерація радикалів OH, окиснення небезпечних речовин, очищення води). Наприклад, сонолюмінесценцію розглядають у контексті сонокемії – ультразвукового прискорення реакцій (генерація оксигену, H₂O₂, дезінтеграція молекул)[4]. Сучасні дослідження також пов’язують сонолюмінесценцію з ультразвуковими контрастними агентами у візуалізації – створенням світла в мікробульбашках, що використовуються в ультразвуковому скануванні (досліджено в останні роки).

Контроверсії та гіпотези про ядерні реакції

Особливо контраверсійною є ідея «бульбашкового синтезу» – запуску ядерних реакцій під час сонолюмінесценції. У 2002 р. Р. Талеярхан (Oak Ridge / Purdue) заявив про спостереження нейтронів та тритію у процесі кавітації дейтерованого ацетону[8]. Він стверджував, що під час стиснення акустичним полем містилися ядерні реакції D–D. Це викликало сенсацію, але майже одночасно інші дослідники (з ORNL тощо) не змогли відтворити результати і опублікували критичні доповіді. Так, кілька лабораторій повторили експеримент Талеярхана – у більшості випадків надлишкові нейтрони/тритій не виявили. Зокрема, Комітет Purdue у 2008 р. визнав випадок фальсифікації при «незалежному підтвердженні» результатів[9]. Статті Талеярхана та подальша дискусія (з доповідями у Science, Nature, Physical Review і т.д.) так і не дали однозначного висновку: офіційно твердження про ядерний синтез залишаються непідтвердженими і спірними. Інша гіпотеза – що під час колапсу може генеруватися гамма-випромінювання (аналогічні гіпотези “тектоно-радіаційних спалахів” під час вібрацій) – також не має надійних підтверджень.

Основний механізм сонолюмінесценції вважається тепловим (плазмовим), а ядерні гіпотези поки що не підтверджені авторитетними дослідами. Незважаючи на це, інтерес до них відображає пошук нетрадиційних ефектів у цьому екстремальному процесі.

Список використаних джерел:

1. L. A. Crum, “Sonoluminescence: A simple mechanical system can produce light from sound”, Phys. Today 47 (10), 22–27 (1994). URL: web.pa.msu.edu

2. M. P. Brenner, S. Hilgenfeldt, D. Lohse, “Single-Bubble Sonoluminescence”, Rev. Mod. Phys. 74, 425–484 (2002) URL: journals.aps.org

3. K. S. Suslick, “The Dawn of Ultrasonics and the Palace of Science”, Acoustics Today, Winter 2019, vol. 15, no. 4, pp. 38–46; URL: suslick.illinois.edu

4. K. Yasui, “Multibubble Sonoluminescence from a Theoretical Perspective”, Molecules 26(15), 4624 (2021); DOI: 10.3390/molecules26154624. URL:  mdpi.com.

5. Lohse D. Twelve years of single bubble sonoluminescence: A review // Department of Applied Physics, Twente University. – Enschede, The Netherlands URL: research.utwente.nl

6. Weninger K. R., Evans P. G., Putterman S. J. Comment on “Mie scattering from a sonoluminescing bubble with high spatial and temporal resolution” // Physical Review E. – 2000. – Vol. 61. – P. 5253–5254. URL: arxiv.org

7. B. Boyd et al., “Beamed UV sonoluminescence by aspherical air bubble collapse near liquid-metal microparticles”, Sci. Rep. 10, 1501 (2020); DOI: 10.1038/s41598-020-58185-2. URL: nature.com

8. M. Anderson, “Bubble Fusion Bubbles Up Again”, IEEE Spectrum (30 July 2013).URL:

spectrum.ieee.org

9. Wilson E. K. Bubble fusion burst: researcher engaged in misconduct, committee finds // Chemical & Engineering News. – 2008. – Vol. 86, Issue 30. – 28 July. URL: cen.acs.org