Kollabierende Blasen

Zerplatzende Gasblasen können kurzzeitig ein Plasma mit einer Temperatur von 15.000 Kelvin erzeugen.

Urbana-Champaign (USA) - Zerplatzende Gasblasen können hohe Temperaturen erzeugen und sogar Licht aussenden. Trotz langjähriger Forschungen an diesem Phänomen, der Sonomulineszenz, blieben ein Spektrum des emittierten Lichts und die exakten Temperaturen während des Kollapses im Dunkeln. Bis jetzt: Denn US-Chemiker brachten nun erstmals einzelne Gasblasen durch Schallwellen kontrolliert zum Platzen. Neben hohen Temperaturen von bis zu 15.000 Kelvin konnten sie sogar die kurzzeitige Bildung eines Plasmas innerhalb der Blase beobachten. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie im Fachblatt "Nature".

"Wir konnten die Bildung von extrem intensiver Sonolumineszenz einer einzelnen Blase in einer wässrigen Schwefelsäure beobachten", berichten David J. Flannigan und Kenneth S. Suslick von der University of Illinois in Urbana-Champaign. Für ihre detaillierten Beobachtungen wählten sie Edelgase wie Argon oder Xenon als Füllgas für die Blasen. Diese einatomigen Gase haben den Vorteil, dass sie während des Zerplatzens keine Energie für die Anregung von Rotationsschwingungen verbrauchen. Denn möglichst viel Energie soll während des Kollapses für die Lichtaussendung zur Verfügung stehen. Ein hoher Anteil an Schwefelsäure indes sorgt wegen seiner höheren Viskosität im Vergleich zu reinem Wasser für stabile, relativ große, kugelförmige Blasen. Allein dadurch konnten die beiden Wissenschaftler die Photonen-Ausbeute pro kollabierende Blase um das Tausendfache auf zehn Millionen pro Lichtblitz steigern.

Nach vielen Versuchen optimierten Flannigan und Suslick die Lichtausbeute mit Schallwellen zwischen 20 und 40 Kilohertz und verschiedenen Schalldrücken. Obwohl der Lichtblitz selbst mit bloßem Auge sichtbar ist, nahmen die Forscher zusätzlich ein detailliertes Spektrum der emittierten Photonen auf. Dabei beobachteten sie Spektrallinien, die nur durch das Auftreten hochenergetischer Elektronen und hoch angeregter Zustände beispielsweise von Sauerstoff-Ionen erklärbar wären. Daraus ließ sich nicht nur die überraschend hohe Temperatur von 15.000 Kelvin belegen, sondern auch die Existenz einer Wolke aus ionisierten Teilchen, eines Plasmas.

"Flannigan und Suslick’s Experimente sind ein Meilenstein bei der Analyse der Sonolumineszenz einzelner Blasen", beurteilt Detlef Lohse von der niederländischen Twente Universität in Enschede diese Ergebnisse. So könnten aufbauend auf diesen Resultaten mögliche Anwendungen der Sonolumineszenz besser geplant werden. Beispielsweise versuchte Lohse vor knapp zwei Jahren, kollabierende Mikroblasen als sanften Membranöffner bei Zellen zu nutzen. Angedockt an Zellen können sie kleinste Löcher in Zellmembranen reißen, berichtete er 2003 in der Fachzeitschrift "Nature". Diese "Sesam öffne Dich"-Methode könnte interessante Anwendungen für die Chemotherapie bei der Krebsbehandlung oder auch bei den zahlreichen Forschungsansätzen für zukünftige Gentherapien nach sich ziehen.

Vor wenigen Jahren kamen russische und amerikanische Physiker um Rusi Taleyarkhan vom Oak Ridge National Laboratory sogar auf die Idee, Sonolumineszenz als Mittel für eine Kernfusion im Becherglas zu nutzen. Doch schon bald danach zeigte sich, dass die möglichen Temperaturen bei Weitem nicht dazu ausreichen würden. Auch die neuesten Ergebnisse von Flannigan und Suslick bestätigen dies wieder eindrucksvoll.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  David J. Flannigan & Kenneth S. Suslick, Plasma formation and temperature measurement during single-bubble cavitation, Nature 434, 52 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature03361  
• Detlef Lohse, Cavitation hots up, Nature 434, 33 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1038/434033a  
• University of Illinois, Urbana-Champaign: 
  http://www.uiuc.edu/index.html  
• Dep. Of Chemistry:
  http://www.chem.uic.edu  
• University of Twente:
  http://www.utwente.nl  
• Sonolumineszenz: 
  http://www-public.tu-bs.de:8080/~plemmens/SONOLUMI.HTM  
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Sonolumineszenz finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. mit Hilfe der Kategorieverknüpfung Plasmaphysik+Publikationen.

Weitere Literatur:

• Diskussion um Fusion durch Sonolumineszenz:
  Y. T. Didenko and K. S. Suslick, The energy efficiency of formation of photons, radicals and ions during single-bubble cavitation", Nature 418, 394.
  R. P. Taleyarkhan et al., Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation, Science 295, 1868 (2002).
  F. Becchetti, Evidence for Nuclear Reactions in Imploding Bubbles, Science 295, 1850 (2002).  
• Diskussion um die "Sono-Fusion" in "Science":
  http://www.sciencemag.org/feature/data/hottopics/bubble/index.shtml