Come osservare la triboluminescenza nei materiali

La “triboluminescenza” è un lampo di luce prodotto quando un materiale è soggetto ad attrito, impatto o rottura. Il fenomeno è anche noto come frattoluminescenza e meccanoluminescenza. La triboluminescenza è comune nei minerali. Si ritiene che circa il 50% dei materiali cristallini presenti tale proprietà, che si osserva anche in molti materiali non cristallini. La triboluminescenza non è una buona proprietà da utilizzare per l’identificazione dei minerali: alcuni esemplari di un minerale potrebbero presentare la proprietà e altri no. Ecco come possiamo evidenziarla con minerali, cristalli di sostanze comuni o altro.

La triboluminescenza è un fenomeno che provoca la generazione di luce attraverso la creazione di qualsiasi interazione frizionale tra i materiali. Il termine per questo fenomeno deriva da una combinazione della parola greca per “strofinare”, tribein, e la parola latina per “luce”, lumin. Il movimento di attrito si riferisce al processo di sfregamento, graffio, schiacciamento o strappo di un materiale.

Il processo porta all’elettrificazione da contatto separando e riunificando le cariche elettriche. Sebbene questo fenomeno ottico sia ampiamente studiato, c’è ancora molta strada da fare per comprenderlo appieno. Il termine stesso fu coniato nel 1888 da Wiedemann e Schmidt per descrivere “un’emissione di luce non dovuta all’aumento della temperatura che si verifica schiacciando alcune sostanze”.

Triboluminescenza prodotta in una zolletta di zucchero colpita da un proiettile.

Francis Bacon (1620) è considerato l’osservatore pioniere dell’effetto triboluminescenza, che ha studiato esaminando l’effetto scintillante dei cristalli di zucchero quando questo viene rotto. Successivamente, Robert Boyle (1663) convalidò il lavoro di Bacon relativo alla triboluminescenza e all’effetto scintillante dopo essere stato sfregato o graffiato, o spezzato in pezzi cristallizzati causando luce.

Come osservare la triboluminescenza nei minerali

Un modo molto semplice per osservare la triboluminescenza è prendere due ciottoli di quarzo lattiginoso che sono abbastanza grandi da poter essere facilmente trattenuti e strofinati insieme con un po’ di forza. Portali in una stanza buia e rimani nell’oscurità per alcuni minuti per consentire ai tuoi occhi di adattarsi all’oscurità. Non hai bisogno di oscurità totale, ma meno luce c’è, meglio è.

Tieni un pezzo di quarzo nella mano sinistra e l’altro nella mano destra. Premi con fermezza un bordo di un pezzo di quarzo contro l’altro e, mantenendo una forte pressione, trascinalo rapidamente sulla superficie con un movimento simile a quello che utilizzeresti per colpire un grosso fiammifero. Mantieni una pressione decisa mentre trascini rapidamente un sassolino sulla superficie dell’altro.

Con del quarzo e un frullatore di vetro puoi produrre triboluminescenza.

Se lo fai correttamente e se hai pezzi di quarzo triboluminescenti, vedrai un breve lampo di luce che penetra in profondità nel quarzo traslucido. Infatti, la triboluminescenza è presente nel quarzo; tuttavia, la forza del fenomeno varia da campione a campione. La triboluminescenza è ben nota nella sfalerite, nella fluorite, nella calcite, nella muscovite e in molti minerali di feldspato.

Sperimenta con diverse velocità, diverse quantità di pressione e direzioni di trascinamento per massimizzare il lampo di luce. Alcuni esemplari produrranno anche piccole quantità di luce se li sbatti insieme o li strofini uno contro l’altro. Puoi anche sperimentare con diversi minerali per vedere se sono triboluminescenti. Probabilmente troverai molti minerali che hanno tale proprietà.

Altri modi per osservare la triboluminescenza

Amblygonite, calcite, feldspato, fluorite, quarzo e molti altri minerali sono tutti noti per esibire triboluminescenza quando sottoposti a stress meccanico. Ma in realtà molti altri materiali presentano triboluminescenza. Anche le zollette di zucchero regolari, lo zucchero di canna e quello cristallino presente nelle caramelle – e molti altri tipi di zucchero candito – sono fonte di triboluminescenza. Pure la maggior parte dei nastri adesivi, inoltre, emettono luce quando vengono strappati.

Triboluminescenza prodotta svolgendo velocemente un nastro di acetato.

Ci sono dunque altri modi con cui puoi vedere la triboluminescenza:

  • Schiaccia una caramella alla menta (di quelle con il buco) con i denti o un martello. Ogni volta che rompi lo zucchero ottieni triboluminescenza, ma di solito non c’è abbastanza luce per vederla. Il salicilato di metile nell’olio verde invernale è fluorescente e converte la luce ultravioletta in luce blu. Se non riesci a trovare queste caramelle, puoi usare lo zucchero con olio verde invernale o olio di chiodi di garofano.
  • Strappa via l’involucro da un cerotto Band-Aid ™ Alcuni involucri di Band-Aid emettono un bagliore blu-verde quando vengono strappati rapidamente.
  • Per vedere la triboluminescenza puoi anche tagliare un diamante. Questo non è qualcosa che la maggior parte di noi probabilmente farà, ma alcuni diamanti fluoresceranno in blu o rosso quando vengono sfregati o, più spesso, tagliati.
  • Il nastro di attrito è quel nastro di stoffa che ha un adesivo di gomma in modo che sia appiccicoso su entrambi i lati. Può essere usato come isolante elettrico, ma di solito lo vedrai nel contesto dello sport, per avvolgere bastoni da hockey, racchette da tennis, mazze da baseball, etc. Se srotoli il nastro di attrito nel buio, noterai una linea luminosa mentre il nastro viene rimosso dal rotolo.

La triboluminescenza in una mentina con il buco al centro sottoposta a forte pressione.

Come osservare la triboluminescenza nello zucchero

Per osservare la triboluminescenza a casa tua con dello zucchero, procurati:

  • alcune zollette di zucchero bianco;
  • un po’ di zucchero di canna sfuso;
  • un recipiente di vetro (ads es. un bicchiere) dal fondo piatto;
  • un piatto bianco.

Aspetta che fuori faccia buio. Fai pratica seduto nella stanza con le luci spente e lasciando che i tuoi occhi si adattino. Metti alcuni zollette di zucchero su un piatto bianco. Schiaccia un cubetto di zucchero con un bicchiere a fondo piatto. Cospargi dello zucchero sciolto sullo stesso piatto. Prendi un bicchiere e fai pratica schiacciando i cubetti e lo zucchero sciolto. Ora fallo con le luci spente!

Ecco cosa dovrebbe succedere. Dovresti vedere lampi di luce blu luminosa. I tuoi occhi devono essere adeguati all’oscurità per vedere davvero queste luci. Quindi, prova ad aspettare fino a notte fonda per provare. Esercitati seduto in una stanza con le luci spente in modo che i tuoi occhi siano in grado di adattarsi. Se la tua stanza non è abbastanza buia, fallo sotto un piumone.

Come produrre triboluminescenza con una zolletta di zucchero.

L’atto di frantumare comporta energia e sembra che parte di quell’energia venga convertita in luce. Si ritiene che ciò sia probabilmente dovuto al fatto che la divisione / lacerazione dei materiali provoca una separazione di cariche positive e negative. Le cariche opposte si attraggono. Quindi, il semplice atto di separarle richiede una discreta quantità di energia. Gli scienziati pensano che quando queste cariche si riuniscono insieme, parte dell’energia usata per separarle sia convertita in luce.

Spiegazioni e impieghi per un fenomeno poco compreso

Il fenomeno della triboluminescenza è in realtà poco compreso. Alcuni ricercatori ritengono che graffiare o colpire materiali insieme fornisca un input di energia che eccita gli elettroni all’interno dei materiali. Quando gli elettroni decadono dal loro stato eccitato, viene prodotto un lampo di luce. Altri credono che la triboluminescenza sia simile al fulmine e sia causata da una corrente elettrica generata dalla forza applicata ai materiali, che farebbe brillare molecole di gas intrappolate nel cristallo.

La triboluminescenza deriva dalla frattura di materiali (solitamente) asimmetrici. La frattura separa le cariche elettriche, che ricombinano e ionizzano l’aria. La ionizzazione dell’azoto nell’aria produce luce ultravioletta, che è invisibile. Ulteriori ricerche hanno rivelato che lo scintillìo si verifica proprio nel punto in cui i cristalli sono asimmetrici a causa di alcune impurità, il che facilita la separazione della carica elettrica. Ma come può essere da noi osservata una luce ultravioletta invisibile?

Triboluminescenza nel quarzo, che puoi acquistare per pochi euro online, ad es. qui.

La triboluminescenza può essere osservata solo quando esiste un materiale che assorbe la luce ultravioletta generata e quindi la emette nel campo visibile (è il fenomeno cosiddetto della “fluorescenza”). I lampi di luce prodotti dai minerali triboluminescenti sono generalmente bianchi o arancioni, ma sono possibili altri colori. Potremmo però non vedere tutta la luce prodotta perché una parte di essa potrebbe avere lunghezze d’onda esterne allo spettro visibile dagli esseri umani.

Il concetto di triboluminescenza è stato ampiamente esplorato da ricercatori e teorici nel campo della fisica, della biologia, della tecnologia, della meccanica, dell’elettronica, dell’energia, etc. L’industria delle costruzioni è una di quelle in cui la maggior parte della ricerca è stata condotta su prodotti a base di cemento, seguendo molteplici aspetti per comprenderne l’applicazione e i vantaggi pratici.

I materiali triboluminescenti sono ampiamente utilizzati nel settore edile per il rilevamento di crepe e per la valutazione dei danni utilizzando i protocolli di elaborazione delle immagini e di apprendimento automatico. Questo rilevamento di crack sembra essere, secondo gli studi effettuati, molto significativo, perché agisce come un approccio proattivo per evitare danni catastrofici.

In generale, l’effetto triboluminescenza può essere utilizzato per progettare sensori strutturali intelligenti. Questi sensori possono essere utilizzati per il rilevamento e il monitoraggio dei danni di strutture civili, aerospaziali, militari, veicoli spaziali / strutture e aeromobili. I sistemi di sensori basati su tale fenomeno possono consentire il monitoraggio continuo in tempo reale e li rende interessanti per diverse applicazioni industriali. Possono anche essere usati come sensori di stress, fratture e danni.