Je leest:

Sonoluminescentie: luchtbellen laten gloeien

Sonoluminescentie: luchtbellen laten gloeien

Auteur: | 1 september 2001

Geluid in licht omzetten is minder vreemd dan je denkt. In de moderne telecommunicatie wordt licht als informatiedrager gebruikt. Glasvezels voeren telefoongesprekken de hele wereld rond.

Wat is sonoluminescentie?

Bij sonoluminescentie worden geluidsgolven in licht omgezet. Zo’n zestig jaar geleden ontdekten twee Duitse scheikundigen dit verschijnsel. Tijdens experimenten met sonargolven ontstonden er oplichtende bellen in een bak met water. De beide geleerden maakten wel melding van deze lichtgevende bubbles, maar eindigden hun artikel met de opmerking ‘There are more important things to look at’.

Daarmee leek het pleit beslecht. Vijfenvijftig jaar later in 1989 pikte de Amerikaanse onderzoeker Felipe Gaitan de draad terug op. Hij slaagde erin om in plaats van een hele reeks bubbles één enkele stabiele bubble te produceren. De verklaring van dit fenomeen liet nog tien jaar op zich wachten.

Geheimzinnig licht verklaard

De proefopstelling voor sonoluminescentie is meer dan eenvoudig (zie figuur 1). Op een glazen kolf die met water gevuld is, worden trilelementjes gemonteerd. Ze sturen trillingen met een frequentie van 30 kHz en een sterkte van honderd decibel door het water heen. Vervolgens injecteert men een luchtbel in de kolf. Direct na het aanzetten van de trilelementen merk je een blauw lichtpuntje op (zie figuur 2.). Detlef Lohse, hoogleraar Warmte- en Stromingsleer aan de Universiteit Twente, verklaart het effect als volgt: de geluidstrillingen zorgen voor verdikkingen en verdunningen in het water, waardoor de luchtbel beurtelings krimpt en groeit. De diameter van de bubble varieert van één tot honderdvijftig micrometer, de dikte van een mensenhaar.

Bij het instorten van de luchtbel, de zogenaamde ‘adiabatische’ compressie, loopt de temperatuur in de bel op tot maar liefst twintig- tot dertigduizend graden. De hitte ontstaat door de snelle volumeverkleining van de bel waarbij er geen warmte met de omgeving wordt uitgewisseld. Bij dergelijke hoge temperaturen splitsen gasmoleculen zich en vormen er zich radicalen. Deze radicalen zijn verantwoordelijk voor de vorming van argon.

De temperatuur in de bel is zo hoog opgelopen dat er zich een plasma van ionen, neutrale atomen en elektronen vormt. Tijdens het recombineren van elektronen en argon-ionen komen er fotonen (energiepakketjes) vrij. Die fotonen vormen het blauwe licht dat we waarnemen.

Na vijftig microseconde herhaalt zich het hele proces. De flits duurt maar zestig tot driehonderd picoseconde. Te kort om met het blote oog waar te nemen, maar omdat de blauwe puls om de vijftig microseconde terugkeert, lijkt het op een constante lichtbundel.

Figuur 1. De proefopstelling voor onderzoek naar sonoluminescentie. Klik op de afbeelding voor een grotere versie

Figuur 2. Schematische weergave van het sonoluminescentieproces. Een luchtbel wordt gevorm (a) en zet uit (b), om vervolgens te krimpen en inelkaar te spatten © met als gevolg de emissie van licht (d).

Toekomstperspectieven

De luminescerende bellen zijn verklaard, maar is de kous daarmee af? ‘Nee’, zegt de professor. ‘Nu we begrijpen wat er gebeurt, is meer onderzoek nodig. Belletjes in een vloeistof kun je namelijk zien als kleine micro-reactors voor hoge-temperatuurfysica. Daarin kunnen we op kleine schaal waarnemen wat er zoal met atomen gebeurt bij hoge temperaturen.’

Ook is Lohse benieuwd of het verschijnsel ook optreedt bij lagere frequenties. Hij wil de frequentie verlagen tot vijf kilohertz. ‘Als we zes keer zo laag zitten, kun je meer licht verwachten. Want bij lagere frequenties krijgt de bubble meer tijd om zich te vergroten, waardoor een hardere klap volgt. Het gas lanceert dan waarschijnlijk honderd tot duizend keer zoveel fotonen. Een fellere flits dus.’ Terwijl het theoretische concept van sonoluminescentie steeds completer wordt, beginnen praktischer toepassingen te voorschijn te komen.

Micrometerbelletjes kunnen toegepast worden in de geneeskunde. Ze zijn ideale contrastmiddelen voor diagnostisch ultrasoon geluid. Wie weet zien we over een tijd een patiënt met allemaal luidsprekers op zijn lichaam geplakt.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 5 uit de jaargang 2001 van het blad Archimedes.

Dit artikel is een publicatie van Archimedes.
© Archimedes, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 september 2001
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.