Рентген отклеился от скотча

Явление триболюминесценции – возникновение электромагнитного излучения при относительном смещении двух контактирующих поверхностей (перетирании, сминании, раскатывании) известно человечеству уже несколько столетий. Наиболее яркое его проявление, неизменно вызывающее восторг и восхищение у неподготовленного наблюдателя, – излучение видимого света при отматывании от поверхности пленки обычного канцелярского скотча. Свечение можно заметить при надлежащем затемнении.

Более того, уже прошло больше полувека с тех пор, как советским учеными под руководством академика Бориса Владимировича Дерягина удалось экспериментально показать, что энергия такого излучения может выходить далеко за видимый диапазон и достигать рентгеновского.

Между тем фундаментального понимания этого процесса у ученых нет до сих пор.

Как нет, кстати, и фундаментального понимания эффекта сонолюминесценции, вызывающей «ажурное» свечение поверхностей, колеблющихся с ультразвуковыми частотами. Некоторые из читателей, вероятно, припомнят «сенсационные» эксперименты по сонолюминесценции мертвого человеческого тела, демонстрировавшиеся несколько лет назад в программе «Время» первого телеканала.

Хотели ли Карлос Камара и Хуан Эскобар из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе наконец покончить с шарлатанством на этой почве, или же ими руководил чисто научный интерес, сказать сложно. Однако их статья, напечатанная в свежем выпуске журнала Nature, является прекрасным образцом подлинно научного подхода к спорной теме. Собственно, работа ученых посвящена возникновению электромагнитного излучения при отделении липкой пленки от гладкой поверхности.

Сила сцепления скотча обусловлена слабым межмолекулярным взаимодействием. Это взаимодействие существенно слабее любой химической связи, а его энергия в сто раз меньше той, что необходима для испускания фотона в видимом диапазоне.

Тем не менее, при достаточно энергичном отрывании скотча испускаются не только радиоволны, но и свет, и даже рентгеновские лучи.

Все эти факты и заставили ученых подойти к триболюминесценции как к частному проявлению некого феномена концентрации плотности энергии.

Чтобы как следует разобраться в проблеме, экспериментаторы соорудили весьма непритязательный аппарат, состоящий из двух бобин. На одну из них был насажен стандартный моток скотча, купленный в каком-то канцелярском магазине, на другую этот скотч, собственно, и перематывался. Место на том мотке, где происходило отделение скотча, постоянно находилось под наблюдением высокоскоростного сцинтилляционного датчика рентгеновского излучения. Ученые также фиксировали видимое и радиоволновое излучение, возникавшие при сматывании скотча с барабана, а также силу натяжения пленки скотча, отрываемой от поверхности мотка.

Стоило поместить всю эту конструкцию в неглубокий вакуум, легко достижимый с помощью обычного форвакуумного насоса, как ученые смогли наблюдать устойчивое рентгеновское свечение (точнее, вспышки видимого излучения на сцинтилляторе, вызванные попаданием рентгеновских фотонов – рентгена человеческие глаза не видят).

При детальном рассмотрении записей сигнала детектора оказалось, что это излучение состоит их коротких импульсов, которые чётко коррелируют во времени с небольшими колебаниями натяжения пленки.

При атмосферном давлении этот эффект не так выражен, а при разматывании в вакууме скотч сначала немного натягивается, а затем, когда сила натяжения достигает порогового значения, происходит отрыв клейкой поверхности от основного мотка. В этот момент происходит и испускание рентгеновских лучей, радиоволн и света.

При этом на долю рентгеновского излучения приходится более 50% мощности импульса! Продолжительность каждого импульса составляет около 2 наносекунд, а средняя мощность такова, что её хватило для того, чтобы сделать рентгеновский снимок большого пальца одного из добровольцев.

По мнению исследователей, процесс концентрации энергии и её испускание можно описать следующей последовательностью явлений. В момент отрыва пленки от поверхности акриловый адгезив, покрывающий пленку, приобретает положительный заряд, в то время как сама пленка барабана, изготовленная из полиэтилена, остается заряженной отрицательно. В результате возникает сильное электрическое поле, которое в конечном итоге приводит к электрическому разряду – движению электронов от отрицательно заряженной пленки к положительно заряженной. В условиях вакуума этому полю хватает энергии для того, чтобы разогнать электроны до очень больших скоростей, пусть и ненадолго (длина «пробоя» составляет около 0,1 мм). Электроны заканчивают свой путь на положительно заряженной, оторванной ленте, где в результате быстрого торможения и генерируют рентгеновские лучи.

Казалось бы, вот вам и все загадки триболюминесценции, всё ясно даже школьнику, посещающему факультатив по физике. Однако непонятное не заставило себя ждать.

Теория позволяет по форме спектра рентгеновских фотонов оценить поток электронов, дающий вспышку. Получилось значение порядка 10¹⁰ электронов на квадратный сантиметр в секунду. Это значение согласуется с оценкой плотности разделяемых зарядов из стандартной теории разделения зарядов, но на полтора-два порядка меньше потока, необходимого для создания той энергии, которая в итоге выделяется!

Не претендуя на обладание истиной в последней инстанции, учёные предположили, что это рассогласование связано с природой самого разделения зарядов при отрыве поверхностей друг от друга. Согласно одной теории, это разделение возникает из-за механического переноса ионов адиабатически (без потери внутренней энергии). С другой стороны, разделение зарядов может возникать и из-за быстрого разрыва поверхностей, на границе которых из-за частичного переноса электронов сформировался двойной электрический слой.

По мнению Эскобара и Камары, существуют два механизма концентрации заряда.

Один из них отвечает за поддержание среднего значения плотности зарядов на уровне 10¹⁰ электронов на квадратный сантиметр. Второй действует в течение каких-то наносекунд, позволяя сконцентрировать электроны до плотности 10¹² штук/см²; он и приводит к рентгеновским вспышкам. Природа второго механизма не ясна, но, по мнению ученых, он связан с поверхностной проводимостью полимерной пленки. А последняя может быть обусловлена и мобильностью её собственных ионов, и менее энергичными «предразрядами», массово возникающими между теми разрядами, которые рождают рентгеновские вспышки.

В этом случае не исключено, что именно рентгеновское излучение является ключом к пониманию многих неразрешенных проблем трибологии. Оно же может использоваться и для изучения других систем, демонстрирующих прерывистое трение и так далее.

В заключение Камара не забыл упомянуть, что мотки скотча могут пригодиться в том случае, если рентгеновский снимок необходимо сделать в полевых или близких к ним условиях, вот только не уточнил, где в таких условиях брать вакуум в 10^–3 мм ртутного столба.

Отрывая же скотч от стекла или стола в условиях атмосферного давления, офисные работники не рискуют здоровьем. Рентген из-под скотча создается только в вакууме.