庫侖爆炸是從強電磁場耦合電子激發能到原子運動的一種現象。
基本介紹
- 中文名：庫侖爆炸
- 定義：電子激發能到原子運動的現象
- 學科：材料科學
- 領域：工程技術
定義,自組裝模型,現象舉例,套用,
定義
庫侖爆炸是從強電磁場耦合電子激發能到原子運動的一種現象。有著相同電荷的粒子的庫侖斥力可以斷裂維持固體的鍵（力）。當窄雷射束照射上去時，小量的金屬爆炸為被電離的原子微粒電漿。與熱的燒蝕不同，庫侖爆炸是“冷”的——在熱量傳導到足夠遠時，爆炸已完成了。
自組裝模型
實驗發現，納米結構的形成只決定與入射雷射的強度，即與單個脈衝的能量和脈衝數的多少有關，而與入射雷射的波長以及入射角度無關，由此我們斷定納米結構的形成可能不是在超短超強雷射對基底的燒蝕過程中形成的，極有可能是在強雷射誘導帶電粒子從材料出射後基底的自組裝過程中產生的。為此有人提出了類似庫倫爆炸模型的——庫倫爆炸自組裝模型。
當超短超強的雷射脈衝照射到材料表面時，由於電子的運動相比於晶格的振動要容易的多，因此在材料的吸收深度內可以假定入射雷射的能量完全被電子吸收。實驗發現強雷射可以在240fs內將電子溫度加熱到最高，電子速度可高達106m/s，而此時晶格的溫度幾乎沒有明顯變化。由於電子的速度很高，基底材料原子的K層或L層會失去一個電子，其餘電子填充這個空穴時可發射出光子，也可使外層電子電離而形成新的空穴，後一過程可不斷進行，使空穴數一步步倍增，稱為空穴串級。子體原子上聚集的正電荷通過分子內部電荷再分布，使分子內部正電荷間產生強大的庫侖排斥力，導致分子爆炸又稱庫倫爆炸。庫倫爆炸會導致材料表面處於一種極不穩定的狀態，同時再分布的電荷產生的電場也會進一步決定帶電粒子的運動狀態。在之後的大約100fs內，在材料表面逐漸趨於穩定的過程中，原子間形成新的鍵，從而產生上述的納米結構。
現象舉例
高速攝像機拍下了鹼金屬在水中爆炸的過程，它被認為是庫侖爆炸。過去人們認為鹼金屬與水發生爆炸反應是因為反應放熱並點燃反應產物氫氣，但最近的發現證明了這種理論並不正確。
德國和捷克的科學家們藉助高速攝像機技術，拍攝到亞毫秒內鈉/鉀和水相遇的影像。科學家們意外發現鈉/鉀合金液滴變形成海膽狀，細長的尖峰伸入水中，快速增加的接觸面積使得反應開始失控。模擬分子動力學表明，該金屬表面一旦接觸水幾乎立即釋放電子。大量電子釋放使該系統快速達到“瑞利不穩定極限”，並導致鹼金屬液滴的“庫侖爆炸”。這也可以解釋了為什麼該反應不能自淬，並可導致爆炸。這一發現發表在《Nature Chemistry》上。
套用
庫侖爆炸的蝕刻可以被用於任何材料來鑽孔、去除表面層和表面結構化、表面微構化，如在列印過程中控制墨水的載入。
