انفجار كولوم

الانفجار الكولومبي هو عملية فيزيائية في المادة المكثفة ، حيث يتم تدمير جزيء أو شبكة بلورية بفعل التنافر الكولومبي بين ذراتها المكونة. تُعد الانفجارات الكولومبية تقنية بارزة في التصنيع باستخدام الليزر ، وتظهر بشكل طبيعي في بعض التفاعلات عالية الطاقة.

يبدأ الانفجار الكولومبي عندما يُثير مجال كهربائي شديد (غالباً من الليزر ) إلكترونات التكافؤ في مادة صلبة، فيقذفها خارج النظام تاركاً وراءه أيونات موجبة الشحنة . تضعف الروابط الكيميائية التي تربط المادة الصلبة بفقدان الإلكترونات، مما يسمح للتنافر الكولومبي بين الأيونات بالتغلب عليها. والنتيجة هي انفجار من الأيونات والإلكترونات - بلازما .

يجب أن يكون الليزر شديد الكثافة لإحداث انفجار كولوم. إذا كان ضعيفًا جدًا، فإن الطاقة الممنوحة للإلكترونات ستنتقل إلى الأيونات عبر اقتران الإلكترون- الفونون . سيؤدي هذا إلى تسخين المادة بأكملها، وانصهارها، وتبخرها حراريًا على شكل بلازما. والنتيجة النهائية مشابهة لانفجار كولوم، باستثناء أن أي بنى دقيقة في المادة ستتضرر بفعل الانصهار الحراري. ^{[ 1 ]}

يمكن إثبات أن انفجار كولوم يحدث في نفس نطاق المعلمات مثل الانتقال الطوري الفائق الإشعاع، أي عندما تصبح التفاعلات غير المستقرة طاغية وتسيطر على حركات الربط المتذبذبة بين الفونون والمادة الصلبة.

يُعدّ الانفجار الكولومبي بديلاً "بارداً" لتقنية الحفر بالليزر السائدة، وهي الاستئصال الحراري ، التي تعتمد على التسخين الموضعي، والانصهار، والتبخير للجزيئات والذرات باستخدام حزم ليزر أقل كثافة. يكفي قصر مدة النبضة، التي تصل إلى نطاق النانوثانية، لتركيز الاستئصال الحراري موضعياً - فقبل أن تنتقل الحرارة لمسافات بعيدة، ينتهي إدخال الطاقة (النبضة). مع ذلك، قد تُغلق المواد المُستأصلة حرارياً المسام المهمة في التحفيز أو تشغيل البطاريات، وقد تُعيد تبلور الركيزة أو حتى تحرقها، مما يُغير الخصائص الفيزيائية والكيميائية في موقع الحفر. في المقابل، حتى الرغوات الخفيفة تبقى غير مغلقة بعد الاستئصال بالانفجار الكولومبي.

تُصنع انفجارات كولوم المستخدمة في التصنيع الصناعي باستخدام نبضات ليزر فائقة القصر ( بيكوثانية أو فيمتوثانية ). ولا يمكن عمليًا توليد وتشكيل وتوصيل شدة الشعاع الهائلة المطلوبة (عتبات تتراوح بين 10 و400 تيراواط لكل سنتيمتر مربع، حسب المادة) إلا لفترات زمنية قصيرة جدًا. ويمكن استخدام حفر انفجار كولوم في أي مادة لحفر الثقوب، وإزالة الطبقات السطحية، وتشكيل الأسطح وبنيتها المجهرية ؛ على سبيل المثال، للتحكم في كمية الحبر في آلات الطباعة. ^{[ 2 ]}

أشارت صور الكاميرات عالية السرعة لانفجار المعادن القلوية في الماء إلى أن الانفجار هو انفجار كولوم. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

أثناء الانفجار النووي الناتج عن انشطار اليورانيوم، تنبعث طاقة مقدارها 167 ميغا إلكترون فولت على شكل انفجار كولومبي بين كل نواة يورانيوم سابقة. تتحول الطاقة الكهروستاتيكية التنافرية بين نواتي الانشطار إلى طاقة حركية لمنتجات الانشطار ، مما يؤدي إلى توليد إشعاع الجسم الأسود الذي يُولّد بسرعة البلازما الساخنة الكثيفة/ كرة اللهب النووية ، وبالتالي يُسبب أيضًا تأثيرات الانفجار والحرارة اللاحقة. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

اقترح علماء في معهد علم الحيوان بجامعة كولونيا أن الانفجار الكولومبي (وتحديدًا التنافر الكهروستاتيكي لمجموعات الكربوكسيل المنفصلة لحمض البولي جلوتاميك) قد يكون جزءًا من العمل المتفجر للخلايا اللاسعة، وهي الخلايا اللاسعة في الكائنات المائية من شعبة اللاسعات . ^{[ 7 ]}

تترابط الجزيئات بفضل توازن الشحنات بين الإلكترونات السالبة والنوى الموجبة. عند انبعاث عدة إلكترونات، إما عن طريق التشعيع بالليزر أو القصف بأيونات عالية الشحنة، تتناثر النوى المتبقية، المتنافرة فيما بينها، في انفجار كولوم. يمكن تحديد بنية جزيئات الغاز البسيطة من خلال التصوير الذي يتتبع مسارات الشظايا. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} اعتبارًا من عام 2022، يمكن لهذه الطريقة العمل مع جزيئات تصل إلى 11 ذرة. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

• النقش بالليزر
• القطع بالليزر
• تأين النفق
• التصوير الحيودي المتماسك بالأشعة السينية