Je překvapující, že roli hraje i chemická stabilita. „Bublina se například ohřeje tak moc, že se molekulární plyny, jako je dusík nebo kyslík, rozpadnou. To, co zbude ve ‚vzduchu‘ sonoluminiscenující bubliny, je pouze argon. Argon je vzácný plyn, který se ve vzduchu vyskytuje v množství jednoho procenta. Všechny ostatní složky plynu jsou spáleny. Spaliny se rekombinují na oxidy dusíku a jiné molekuly nebo radikály, které se pak rozpustí ve vodě.“ Podle Lohseho argon podporuje proces sonoluminiscence, protože má jako monoatomický plyn méně fyzikálních stupňů volnosti (tedy možností pohybu). „Proto se argon stane obzvláště horkým a dojde k ionizačním efektům.“ Mechanizmus vzniku světla se pak dá odvodit z fyziky plazmatu: je to totiž v podstatě takzvané termické brzdné záření – tedy elektromagnetické záření, které vzniká díky vychýlení volných elektronů nabitými ionty nebo srážkami s neutrálními atomy. Dojde zde k vyzáření světla při rekombinaci částečně ionizovaného plynu ( jinak řečeno při znovuspojení iontů a elektronů). Jev sonoluminiscence jedné bubliny jako takový je tím podle Detlefa Lohseho vysvětlen. „Výzva, před kterou právě teď stojíme, je porozumět vzájemným interakcím mezi různými bublinami“ (pokud tedy uvažujeme komplexní systém z více bublin a například všechny bubliny jsou stlačeny). „Podobné efekty se vyskytují v blízkosti rotujících lodních šroubů, které tím mohou být mechanicky poškozeny nebo dokonce zcela zničeny. Systematické porozumění dynamice mnoha bublin je opravdu mimořádně obtížné.“ Hrají při tom roli i turbulence a vícefázové proudění, jehož podstatou je směs několika složek. „Sonoluminiscence jedné bubliny je tedy něco jako atom vodíku v takzvané kavitační fyzice, tedy fyzice popisující bubliny vodní páry v tekutinách,“ vysvětluje Detlef Lohse. „Stejně tak jako v atomové fyzice ještě zcela nerozumíme atomu vodíku, tak podobně ve výzkumu bublin ještě zcela nerozumíme sonoluminiscenci jedné bubliny.“ Navíc se podle Lohseho nachází stále v počátcích 98
|
42 NEJVĚTŠÍCH HÁDANEK FYZIKY
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS511657
i přenesení jevu sonoluminiscence na aplikace v jiných oblastech, jako například v sonochemii, která zkoumá účinky zvukových vln na chemické systémy. Zkoumají se zde možnosti urychlení chemických procesů, které jsou vystaveny extrémním podmínkám ( jako při sonoluminiscenci). Vědci postupují nicméně velmi rychle, a to díky současnému vývoji v oblastech vysokorychlostních kamer a počítačů. „Základní vztahy byly zpravidla známé už dlouho, ale nebylo možné je numericky propočítat, protože jsou vysoce komplexní a nelineární. To je teď konečně pomocí superpočítačů a vysokovýkonnostních výpočtů (High Performance Computing) možné.“ Z pohledu Detlefa Lohseho začal „zlatý věk fyziky tekutin“, který skrývá ještě mnoho překvapení.
Fyzika kondenzovaných látek
|
99 Ukázka elektronické knihy, UID: KOS511657
HÁDANKA 15
Denně používané a přesto ne zcela pochopené: co je vlastně sklo? O tajemství materiálu, který byl důvodem válek. Pro experimentálního fyzika Bastiana Rappa z Univerzity ve Freiburgu se tato otázka mezioborově dotýká jak fyziky a chemie, tak výzkumu materiálů a inženýrství. „Odpověď vlastně závisí na tom, o jakou chemii se jedná, tedy jak je materiál zpracován,“ vysvětluje Bastian Rapp, který je profesorem procesních technologií v Ústavu techniky mikrosystémů ve Freiburgu. „V závislosti na zpracování materiálu pak vznikají věci, které běžně označujeme jako sklo. Nebo také ne. A to je na té otázce vlastně zajímavé.“ Podle Rappa se za normálních okolností dají materiály jasně přiřadit do určité kategorie. Přitom rozlišujeme mezi typem a povahou chemické vazby. Existují například „kovalentně“ vázané materiály, ve kterých se dva sousední atomy dělí o elektronové páry a jsou tímto způsobem spojeny. Nebo existují materiály s kovovou vazbou, jež se skládají z atomů, které snadno ztrácejí elektrony. Pozitivně nabité „trupy“ atomů jsou pak drženy pohromadě takzvaným „elektronovým lepidlem“. K nim patří velká skupina materiálů s iontovou vazbou, jako například jedlá sůl (chlorid sodný), kde je sodík pozitivně nabitý kationt a chlorid je oproti tomu negativně nabitý aniont. Díky elektrostatické interakci vznikne krystalická látka. „Toto všechno se dá v materiálové vědě relativně snadno kategorizovat,“ vysvětluje Rapp. „Sklo oproti tomu patří mezi hybridní materiály, které stojí mezi těmito materiálovými a vazebnými kategoriemi.“ 100
|
42 NEJVĚTŠÍCH HÁDANEK FYZIKY Ukázka elektronické knihy