Lichtblitze und leuchtende Blasen in einer Blasenwolke - Photonik

Lichtblitze und leuchtende Blasen in einer Blasenwolke

Mit Ultraschallanlagen werden Oberflächen oder Abwässer gereinigt sowie Nierensteine zertrümmert. Genutzt wird dabei ein Effekt, den Schallwellen in Flüssigkeiten herbeiführen: Es bilden sich Blasen, die auch Lichtblitze abgeben können.

Bild: Universität Göttingen
Farbige Sonolumineszenz von Xenon in konzentrierter Schwefelsäure mit gelöstem Natriumsalz

Durch Ultraschall in Flüssigkeiten bilden sich Blasen, die abwechselnd stark wachsen und in sich zusammenfallen. Implodierende Blasen können das in ihnen enthaltene Gas so extrem komprimieren, dass kurze Lichtblitze entstehen – ein Vorgang, der Sonolumineszenz genannt wird. Dr. Carlos Cairós und Dr. Robert Mettin vom Dritten Physikalischen Institut der Universität Göttingen ist es als Erste gelungen, Sonolumineszenzsignale gleichzeitig mit den leuchtenden Blasen in einer mit Ultraschall angeregten Blasenwolke abzubilden. In Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen mit bis zu 500 000 Bildern pro Sekunde können sie die Licht emittierenden Blasen identifizieren sowie Blasenform und -schwingung untersuchen.

Der Kollaps und die Lichtemission von isolierten, einzelnen Blasen in kontrollierter Umgebung sind bereits gut untersucht. Die Experimente der Göttinger Physiker tragen nun wesentlich dazu bei, Sonolumineszenz auch in einer Umgebung zu verstehen, die für Anwendungen von Leistungsultraschall realistischer ist: die chaotische „Wildnis“ von vielen Blasen, die wechselwirken und häufig kollidieren oder sich aufspalten. „Insbesondere beobachten wir, dass die leuchtenden Blasen nicht perfekt kugelförmig sein müssen – welches die beste Form für die extreme Energiefokussierung im Kollaps wäre“, erklärt Dr. Cairós. Sogar Blasen, die von einem Flüssigkeitsstrahl durchdrungen werden, könnten Licht emittieren. Damit ließen sich bestimmte chemische Reaktionen erklären, die in den Blasen stattfinden. Die Methode kann in den Blasenwolken abbilden, wo wieviel Leuchtaktivität welcher Blasen zu finden ist. „Diese Photometrie der Sonolumineszenz kann helfen, Ultraschallanlagen weiter zu optimieren“, sagt Dr. Mettin.

Die Untersuchungen fanden im Rahmen des „Christian-Doppler-Labors für Kavitation und Mikroerosion“ statt, einem Forschungsprojekt, das je zur Hälfte vom österreichischen Staat und dem Unternehmen Lam Research AG in Villach finanziert wird. In dem Projekt wurden in den vergangenen sieben Jahren innovative Methoden der Oberflächenreinigung für die Halbleiterindustrie sowie Grundlagen der Blasenbildung in Flüssigkeiten erforscht.

Originalveröffentlichung:

[C. Cairós, R. Mettin, Simultaneous High-Speed Recording of Sonoluminescence and Bubble Dynamics in Multibubble Fields, Phys. Rev. Lett. 118 (2017), DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.064301]

www.uni-goettingen.de

 
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