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Mechanolumineszenz

Mechanolumineszenz stellt eine der interessantesten und am wenigsten erforschten Phänomenen der Kaltlichtemission dar. Die Lichtemission wird dabei durch mechanische Beanspruchung von Feststoffen hervorgerufen. Die Mechanolumineszenz kann man je nach der Art des mechanischen Anreizes gliedern.

Zu den bekanntesten Formen gehört die sogenannte Tribolumineszenz, auch genant Fraktolumineszenz, die entsteht, wenn Kristalle von Feststoffen infolge einer destruktiven mechanischen Einwirkung gebrochen werden.

Die frühesten Aufzeichnungen über Tribolumineszenz erscheinen im Werk des englischen Gelehrten Francis Bacon aus 1605 – „Of The Advancement of Learning“ und später im Werk „Novum Organum“ aus 1620. Francis Bacon beschreibt hier die Tribolumineszenz des Rohrzuckers während seiner Zerschlagung.

Noch viel älter, jedoch ohne schriftliche Aufzeichnungen, ist die Tribolumineszenz von Mineralien, wie z.B. Quarz, die durch nordamerikanische Indianer bei gewissen Zeremonien verwendet wurde. (Quarzkristalle wurden in einen dünnen Ledersack eingeschlossen und das ganze wurde im Dunklen gerüttelt. Die Tribolumineszenz von Quarz war stark genug um durch die Ledermembrane beobachtet werden zu können)

Piezolumineszenz als Unterkategorie der Mechanolumineszenz unterscheidet sich von der Tribolumineszenz dadurch, dass bereits ein blosser Druck auf Kristallflächen zur Lichtemission führt, ohne dass die Kristalle zerbrochen werden müssen.

Kristallolumineszenz ist eine nicht weniger bemerkenswerte Unterkategorie der Mechanolumineszenz. Der Wachstum der Kristalle während einer Kristallisation verursacht die mechanische Beanspruchung der Kristallflächen, die die Lichtemission hervorruft. Eine Theorie besagt, dass es eigentlich genauer betrachtet eine durch Kristallisation hervorgerufene Fraktolumineszenz ist. Das klassische Beispiel ist die Kristallisation von verschieden Salzen aus wässrigen Lösungen (z.B. Natriumchlorid, Kalium-Natrium Sulfat, Bariumbromat oder Strontiumbromat) während die Kristallisation aus der Schmelze weniger bekannt ist. (z.B. N-isopropylcarbazol).

Die am meisten akzeptierte Erklärung der Tribo- und Kristallolumineszenz liegt darin, das durch Zerschlagung der Kristalle neue Flächen mit entgegengesetzten elektrischen Ladungen entstehen und es anschliessend zur elektrostatischen Entladung kommt, während dieser das herumliegende Gas oder Moleküle des Kristalls elektronisch angeregt werden. Die anschliessende Deexzitation ist mit Ausstrahlung von Licht verbunden. Beim wohlbekanntesten Beispiel der Tribolumineszenz von Rohrzucker werden Miniaturentladungen generiert, die Stickstoff aus der Luft anregen, der an den Kristallflächen der Zuckerkristalle adsorbiert ist. Das Tribolumineszenzspekrum der Zuckerwürfel an Luft ist deshalb sehr ählich dem natürlichen Blitzspektrum.

Das letzte Beispiel der Mechanolumineszenz ist Sonolumineszenz. Es handelt sich um eine physikalische Erscheinung, bei der eine Flüssigkeit durch Einwirkung von heftigen Druckänderungen ein kurzes Aufblitzen ausstrahlt. Der Erreger dieses Phänomens ist Kavitation – die Bildung und Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen (Dampfblasen) in Flüssigkeiten. Im Labor wird Kavitation typischerweise durch einen starken Ultraschall erzielt.

Die am meisten akzeptierte Theorie besagt, dass die Einwirkung von Ultraschall die Implosion der Blasen zur Folge hat, die durch adiabatische Kompression stark erhitzt werden. Infolge der Schockerhitzung werden Atome/Moleküle des Gases und der Umgebung angeregt. Die Wissenschaftler vermuten, dass die Temperatur an der Oberfläche der kollabierenden Blasen 10 000 °C übersteigt. Das erklärt auch warum das Sonolumineszenzspektrum des Meerwassers ausser des kontinuierlichen Spektrums des heissen Gases auch die für die angeregten Natriumatome typische gelborange Strahlung hat, die wir aus den omnipräsenten Natriumdampflampen kennen.

Zum Schluss lässt sich sagen, dass Mechanolumineszenz eine sehr interessante physikalische Erscheinung ist, die aber bisher relativ wenig praktische Anwendungen gefunden hat. Tribolumineszente Materialien können bei der Herstellung von Sensoren der mechanischen Beschädigung verwendet werden. Solche Sensoren können bei Raumschiffen Anwendung finden (Detektion und Lokalisation der Beschädigung durch kleine Meteoriten) oder bei der Entwicklung empfindlicher Stosssensoren für Airbags in PKWs.