Phát quang âm (sonoluminescence) là hiện tượng vật lý kỳ thú khi sóng âm truyền qua chất lỏng buộc các bọt khí siêu nhỏ giãn nở, sụp đổ mãnh liệt và phát ra những chớp sáng cực ngắn [1, 2]. Hiện tượng này minh chứng cho khả năng hội tụ năng lượng phi thường của cơ học: những dao động âm thanh phân tán có thể bị nén lại tới 12 bậc độ lớn (một nghìn tỷ lần), tạo nên nhiệt độ lõi tương đương bề mặt các ngôi sao ngay trong một bình nước ở nhiệt độ phòng [1].
Phát hiện tình cờ từ phòng thí nghiệm ảnh
Năm 1934, hai nhà nghiên cứu Hanes Frenzel và Hans Schultes tại Đại học Cologne (Đức) đang thử nghiệm dùng sóng siêu âm để đẩy nhanh tốc độ tráng phim ảnh [2]. Thay vì chỉ thấy hoá chất được khuấy trộn đều hơn, họ bất ngờ phát hiện trên tấm kính ảnh xuất hiện vô số chấm sáng li ti không rõ nguồn gốc [2]. Họ đã vô tình ghi lại bằng chứng đầu tiên về hiện tượng phát quang âm: ánh sáng sinh ra trực tiếp từ sự kích thích của trường sóng âm trong chất lỏng [2].
Trong suốt nhiều thập kỷ sau đó, việc quan sát hiện tượng này rất khó khăn vì ánh sáng chỉ xuất hiện ngẫu nhiên giữa những đám bọt khí hỗn loạn. Mọi chuyện thay đổi vào cuối thập niên 1980 khi nhà vật lý Felipe Gaitan chế tạo thành công hệ thống bẫy một bọt khí duy nhất trong sóng dừng âm thanh—gọi là phát quang âm đơn bọt (Single-Bubble Sonoluminescence hay SBSL) [2]. Bằng cách neo giữ một bọt khí kích thước vài micromet tại nút sóng âm trong bình cộng hưởng, các nhà khoa học có thể quan sát nó phồng lên, co sụp và nhấp nháy phát sáng đều đặn hàng chục nghìn lần mỗi giây như một chiếc đồng hồ nguyên tử thu nhỏ [2].
Cơ chế nén đoạn nhiệt và sự sụp đổ siêu thanh
Để hiểu vì sao âm thanh có thể biến thành ánh sáng, cần nhìn vào động lực học bọt khí và hiện tượng xâm thực âm học (acoustic cavitation) [1, 2]. Sóng âm truyền đi dưới dạng sóng áp suất dọc, gồm các pha nén (áp suất cao) và pha giãn (áp suất thấp) xen kẽ nhau. Khi pha áp suất âm quét qua chất lỏng, nó kéo căng cấu trúc liên kết của nước, hút các phân tử khí hoà tan lại để tạo thành một bọt khí nhỏ. Trong pha giãn này, bọt khí nở to gấp khoảng mười lần kích thước ban đầu.
Khi sóng âm chuyển sang pha áp suất dương, khối chất lỏng xung quanh lập tức ép mạnh vào bọt khí [2]. Khác với quả bóng bay đàn hồi co lại từ từ, lớp vỏ nước xung quanh bọt khí hoạt động như một pít-tông hình cầu nặng nề bị quán tính đẩy sập vào trong. Tốc độ thu hẹp của thành bọt khí nhanh chóng vượt qua tốc độ âm thanh trong khối khí bên trong [2].
Quá trình sụp đổ này diễn ra chỉ trong vài phần triệu giây (microsecond), khiến nhiệt lượng sinh ra không kịp truyền ra môi trường nước xung quanh [1, 2]. Đây chính là quá trình nén đoạn nhiệt gần như hoàn hảo: khi khối thể tích khí bị bóp nghẹt với tốc độ cực lớn, nhiệt năng bị nhốt chặt và tăng vọt [1]. Từ đường kính hàng chục micromet, bọt khí bị ép xuống chỉ còn chưa đầy một micromet [2].
Ngôi sao vi mô trong lòng nước mát
Các điều kiện vật lý đạt được tại thời điểm bọt khí chạm đáy sụp đổ là cực kỳ khắc nghiệt [1]. Phân tích quang phổ của các nhà nghiên cứu, tiêu biểu là nhóm của giáo sư Kenneth Suslick tại Đại học Illinois, cho thấy nhiệt độ tại lõi bọt khí có thể đạt từ 10.000 đến hơn 20.000 Kelvin—nóng gấp đôi đến gấp ba lần bề mặt Mặt Trời (khoảng 5.778 Kelvin) [1]. Áp suất bên trong cũng vọt lên hàng nghìn atmosphere [2].
Ở mức nhiệt độ và áp suất này, các liên kết phân tử khí và hơi nước bị xé toạc, tạo thành một vùng vi plasma (micro-plasma) tồn tại trong chớp mắt [1, 2]. Khi các electron tự do bị hãm đột ngột trong điện trường của các ion dương (bức xạ hãm - Bremsstrahlung) kết hợp với quá trình tái hợp ion, chúng giải phóng chùm photon năng lượng cao [2]. Chớp sáng này chỉ kéo dài khoảng 100 đến 300 picosecond (phần nghìn tỷ giây), phát ra ánh sáng trắng xanh rực rỡ có thể nhìn thấy bằng mắt thường trong phòng tối [2]. Toàn bộ năng lượng âm thanh loãng trong thể tích bình nước đã được nén cô đặc một nghìn tỷ lần vào một điểm vi mô [1].
Pháo âm thanh của loài tôm gõ kiến
Hiện tượng phát quang âm không chỉ giới hạn trong các bình thí nghiệm tinh vi mà còn xuất hiện ngoài tự nhiên [2]. Loài tôm gõ kiến (pistol shrimp, thuộc họ Alpheidae) là một ví dụ đáng kinh ngạc về việc làm chủ hiện tượng này [2]. Khi phát hiện con mồi hoặc kẻ thù, tôm gõ kiến dùng chiếc càng ngoại cỡ kẹp sập lại với tốc độ cực nhanh, bắn ra một tia nước với vận tốc hơn 100 km/h [2].
Tia nước tốc độ cao tạo ra một vùng áp suất cục bộ cực thấp theo nguyên lý Bernoulli, hình thành một bọt khí xâm thực [2]. Ngay sau đó, áp suất của nước biển xung quanh ép bọt khí này sụp đổ dữ dội, tạo ra sóng xung kích âm thanh đo được vượt mức 200 decibel đủ để làm tê liệt cá nhỏ và cua [2]. Tại khoảnh khắc bọt khí vỡ tan, nó cũng phát ra một chớp sáng phát quang âm tí hon cùng nhiệt độ lên tới hàng nghìn độ C [2]. Chiếc càng tôm thực chất là một bộ máy phóng bọt khí xâm thực hoàn hảo [2].
Ứng dụng từ hoá học siêu âm đến công nghệ vật liệu
Sự hiểu biết sâu sắc về hiện tượng phát quang âm đã mở đường cho ngành hoá học siêu âm (sonochemistry) và khoa học vật liệu [1, 2]. Dù chất lỏng tổng thể vẫn duy trì ở nhiệt độ phòng, hàng triệu bọt khí xâm thực siêu nhỏ sụp đổ liên tục lại đóng vai trò như những lò phản ứng hóa học mini [1].
Nhiệt độ cực cao trong bọt khí bẻ gãy các phân tử nước thành các gốc tự do hydroxyl (•OH) có tính oxy hoá cực mạnh [1]. Nhờ đó, sóng siêu âm được ứng dụng để tổng hợp hạt nano đồng nhất, phá vỡ các hợp chất ô nhiễm độc hại khó phân huỷ trong nước thải, bóc tách các lớp vật liệu nano như graphene, cũng như làm sạch các vi mạch bán dẫn siêu nhạy mà không làm hỏng cấu trúc cơ học [1].
Phát quang âm nhắc nhở chúng ta về vẻ đẹp kỳ diệu của vật lý: không cần đến các vụ nổ vũ trụ hay cỗ máy gia tốc hạt khổng lồ, chỉ cần một làn sóng âm thanh phù hợp và một bọt khí bé nhỏ trong nước, tự nhiên đã có thể tạo nên điều kiện nhiệt độ của những vì sao [1, 2].
Đang tải bình luận…