Coulomb-Explosion

Die Coulomb-Explosion ist ein Verfahren, bei dem, z. B. durch einen gebündelten Laserstrahl, ein festes Material in den Plasmazustand übergeht.

Beschreibung

Der physikalische Mechanismus ist der, dass die Elektronen durch das starke elektromagnetische Feld des Strahls angeregt werden und ihre Anregungsenergie an die atomare Bewegung gekoppelt ist. Die atomare Bewegung kann die Bindungen auflösen, die feste Körper zusammenhält. Die äußeren Valenzelektronen, die für die chemische Bindung verantwortlich sind, lassen sich leicht vom Atom abtrennen und lassen dieses positiv geladen zurück. Atome, deren Bindungen auf diese Weise zerbrochen sind, stoßen einander ab, und das Material explodiert zu einer kleinen Wolke energiereicher Ionen, die höhere Geschwindigkeiten haben, als wenn man sie durch Wärme verdampfen würde.^[1]

In der Biologie ist das Prinzip der Coulomb-Explosion möglicherweise in den Nesselzellen wirksam.

Anwendungen

Die Coulomb-Explosion ist einer der Mechanismen, durch die Metallbearbeitung mit dem Laser (Laserschneiden, Laserbohren, Laserablation, Laserbeschriftung usw.) möglich wird.

Coulomb-Explosionen für industrielle Materialbearbeitung werden durch kurze Laserimpulse (im Picosekunden- oder hohen Femtosekunden-Bereich) ausgelöst. Die erforderlichen enorm hohen Strahlintensitäten (10 bis 400 TW/cm²) lassen sich nur für sehr kurze Zeitdauern praktisch handhaben.

Die Coulomb-Explosion ist eine „kalte“ Alternative zum vorherrschenden Verfahren der thermischen Ablation, die auf dem lokalen Erwärmen, Schmelzen und Verdampfen der Moleküle und Atome durch weniger intensive Strahlen beruht (siehe z. B. Laserbeschriftung).

Impulse im Nanosekunden-Bereich sind kurz genug, um die thermische Abtragung zu lokalisieren: Die Energiezufuhr (der Impuls) ist zu Ende, bevor die Wärme weitergeleitet wird. Dennoch können thermisch abgetragene Materialien Poren verschließen, die für Katalysatoren oder zum Batteriebetrieb wichtig sind, und das Substrat umkristallisieren oder sogar verbrennen und so die physikalischen und chemischen Eigenschaften an der bearbeiteten Stelle verändern. Im Gegensatz dazu bleiben bei Bearbeitung durch Coulomb-Explosionen sogar leichte Schäume unversiegelt.

Coulomb-Explosionen können bei jedem Material angewandt werden, um Löcher zu bohren, Oberflächenschichten abzutragen und Oberflächen eine Textur oder Mikrostruktur zu geben; z. B. um bei Druckmaschinen die Menge der auf der Walze haftenden Druckfarbe zu steuern.^[2]

Einzelnachweise

1. ↑ M. Hashida, H. Mishima, S. Tokita, S. Sakabe: Non-thermal ablation of expanded polytetrafluoroethylene with an intense femtosecond-pulse laser. In: Optics Express. 17, Nr. 15, 20. Juni 2009, S. 13116–13121, doi:10.1364/OE.17.013116.
2. ↑ Dirk Müller: Picosecond Lasers for High-Quality Industrial Micromachining. Photonics Spectra, 2009, S. 46–47 (PDF).