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El misterio de las centellas (1369)

El misterio de las centellas (1369)

PRL 100, 065001 (2008) PHYSICAL REVIEW LETTERS semana que termina el 15 DE FEBRERO DE 2008

Evidencia de nanopartículas en bolas de fuego generadas por microondas observadas por dispersión de rayos X de sincrotrón

J. B. A. Mitchell,1 J. L. LeGarrec,1 M. Sztucki,2 T. Narayanan,2 V. Dikhtyar,3 y E. Jerby3,*

1 P.A.L.M.S., U.M.R. No. 6627 du C.N.R.S., Universite´ de Rennes I, 35042 Rennes Cedex, France

2 European Synchrotron Radiation Facility, BP-220, 38043 Grenoble Cedex, France

3 Facultad de Ingeniería, Universidad de Tel Aviv, Ramat Aviv, 69978, Israel

(Recibido 18 octubre de 2007; publicado el 11 de febrero de 2008)

El método de dispersión de rayos X de ángulo pequeño se ha aplicado para estudiar bolas de fuego expulsadas al aire desde puntos calientes fundidos en vidrio de borosilicato por microondas localizadas [V. Dikhtyar y E. Jerby, Phys. Rev. Lett. 96 045002 (2006)]. Se midieron la distribución del tamaño de las partículas de la bola de fuego, la densidad y la tasa de descomposición en la presión atmosférica. Los resultados muestran que las bolas de fuego contienen partículas con un tamaño medio de ?50 nm con densidades numéricas medias del orden de ?109. Por lo tanto, las bolas de fuego pueden considerarse como un plasma polvoriento que consiste en un conjunto de nanopartículas cargadas en el volumen de plasma. Este hallazgo se compara con el fenómeno de la centella explicado por la formación de una red de partículas oxidantes liberada por un rayo que golpea el suelo [J. Abrahamson y J. Dinniss, Nature (Londres) 403, 519 (2000)]. DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.065001 Números PACS: 52.80.Mg, 52.40.Db, 52.50.Sw, 52.70.La

El paper se puede descargar aquí: https://www.eng.tau.ac.il/~jerby/71.pdf

El misterio de las centellas (1368)

El misterio de las centellas (1368)

PRL 96, 045002 (2006) PHYSICAL REVIEW LETTERS week ending 3 FEBRUARY 2006

Eyección de bolas de fuego desde un punto caliente fundido al aire por microondas localizadas

Vladimir Dikhtyar y Eli Jerby*

Facultad de Ingeniería, Universidad de Tel Aviv, Ramat Aviv 69978, Israel

(Recibido el 22 de septiembre de 2005; publicado el 30 de enero de 2006)

Se presenta un fenómeno de eyección de bolas de fuego desde puntos calientes en materiales sólidos (silicio, germanio, vidrio, cerámica, basalto, etc.) a la atmósfera. El punto caliente se crea en el material del sustrato mediante el mecanismo de perforación por microondas [Jerby et al., Science 298, 587 (2002)]. La gota vaporizada que evolucionó del punto caliente explota y forma una bola de fuego estable que flota en el aire. Las observaciones experimentales de la eyección de bolas de fuego desde puntos calientes de silicato se refieren a la teoría de Abrahamson-Dinniss [Nature (London) 403, 519 (2000)] que sugiere un mecanismo para la iniciación de centellas en la naturaleza. Las bolas de fuego observadas en nuestros experimentos tienden a absorber por completo la potencia de microondas disponible, de manera similar al efecto de resonancia de plasmones en longitudes de onda submicrométricas [Nie and Emory, Science 275, 1102 (1997)].

DOI: 10.1103/PhysRevLett.96.045002 PACS numbers: 52.80.Mg, 52.40.Db

El paper se puede descargar en: https://www.eng.tau.ac.il/~jerby/67.pdf

El misterio de las centellas (1367)

El misterio de las centellas (1367)

Materials 2013, 6, 4011-4030; doi:10.3390/ma6094011

Materials

ISSN 1996-1944

www.mdpi.com/journal/materials

Articulo

Observations of Ball-Lightning-Like Plasmoids Ejected from Silicon by Localized Microwaves

Yehuda Meir 1, Eli Jerby*,1, Zahava Barkay 2, Dana Ashkenazi 1, James Brian Mitchell 3, Theyencheri Narayanan 4, Noam Eliaz 1, Jean-Luc LeGarrec 3, Michael Sztucki 4 and Oleg Meshcheryakov 5

1 Faculty of Engineering, Tel Aviv University, Ramat Aviv 69978, Israel; E-Mails: yehudam1@post.tau.ac.il (Y.M.); dana@eng.tau.ac.il (D.A.); neliaz@eng.tau.ac.il (N.E.)

2 Wolfson Applied Materials Research Center, Tel Aviv University, Ramat Aviv 69978, Israel; E-Mail: barkay@post.tau.ac.il

3 Institut de Physique de Rennes, UMR N 6251 du CNRS, Université de Rennes I, 35042, Rennes cedex, France; E-Mails: brian.mitchell@univ-rennes1.fr (J.B.M.); jean-luc.le-garrec@univ-rennes1.fr (J-L.L.)

4 European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, F-38043, France; E-Mails: narayan@esrf.fr (T.N.); michi@sztucki.de (M.S.)

5 Wing Ltd., Odessa, 65000, Ukraine; E-Mail: wing99@mail.ru

* Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: jerby@eng.tau.ac.il; Tel.: +972-3-640-8048; Fax: +972-3-640-7860.

Recibido: 1 de agosto de 2013; en forma revisada: 2 de septiembre de 2013 / Aceptado: 3 de septiembre de 2013 / Publicado: 11 de septiembre de 2013

Resumen: Este artículo presenta la caracterización experimental de plasmoides (bolas de fuego) obtenidos al dirigir potencia de microondas localizada (<1 kW a 2,45 GHz) sobre un sustrato basado en silicio en una cavidad de microondas. El plasmoide emerge del punto de acceso creado en el sustrato sólido hacia el aire dentro de la cavidad de microondas. Los diagnósticos experimentales empleados para la caracterización de la bola de fuego en este estudio incluyen mediciones de dispersión de microondas, espectroscopia óptica, dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS), microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS). Varias características de estos plasmoides como plasma polvoriento se extraen mediante un análisis teórico de las observaciones experimentales. Las agregaciones de partículas de polvo dentro del plasmoide se detectan a escalas nanométricas y micrométricas mediante mediciones SAXS in situ y SEM ex situ. La semejanza de estos plasmoides con el fenómeno natural de las centellas (BL) se analiza con respecto a la agrupación de nanopartículas de silicio y la formación de microesferas de silicio de oxidación lenta dentro del BL. Se analizan las aplicaciones potenciales y los derivados prácticos de este estudio (p. ej., conversión directa de sólidos en polvo, identificación de materiales mediante espectroscopia de ruptura (MIBS), ignición por termita y combustión).

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El misterio de las centellas (1366)

El misterio de las centellas (1366)

Columna de plasma y generación de nanopolvos a partir de titanio sólido mediante microondas localizadas en el aire

Simona Popescu,1 Eli Jerby,1,a) Yehuda Meir,1 Zahava Barkay,2 Dana Ashkenazi,1 J. Brian A. Mitchell,3 Jean-Luc Le Garrec,3 and Theyencheri Narayanan4

1Facultad de Ingeniería, Universidad de Tel Aviv, Ramat Aviv 6997801, Israel

2Centro de Investigación de Materiales Aplicados Wolfson, Universidad de Tel Aviv, Ramat Aviv 6997801, Israel

3IPR., U.M.R. No. 6251 du C.N.R.S., Universit_e de Rennes I, 35042 Rennes, France

4European Synchrotron Radiation Facility, 38043 Grenoble, France

(Recibido el 2 de mayo de 2015; aceptado el 28 de junio de 2015; publicado en línea el 8 de julio de 2015)

Este artículo estudia el efecto de una columna de plasma expulsada de titanio sólido por microondas localizadas en una atmósfera de aire ambiente. Se encuentra que las nanopartículas de dióxido de titanio (titania) se sintetizan directamente en esta columna de plasma mantenida por la energía de microondas en la cavidad. El proceso se inicia mediante un punto de acceso inducido por microondas localizadas, que funde localmente el sustrato de titanio. El punto caliente fundido emite vapores de titanio ionizado continuamente hacia la columna de plasma estable, que puede durar más de un minuto. La caracterización del plasma polvoriento obtenido se realiza in situ mediante análisis de dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS), espectroscopia óptica y reflexión de microondas. Las nanopartículas de titania depositadas se analizan estructural y morfológicamente mediante observaciones con microscopio electrónico de barrido y óptico ex situ, y también mediante difracción de rayos X. Utilizando el método gráfico de Boltzmann combinado con los resultados de SAXS, la temperatura y la densidad de los electrones en el plasma polvoriento se estiman en ?0,4 eV y ?1019m-3, respectivamente. El análisis del producto de plasma revela nanopartículas de titania en fases cristalinas de anatasa, brookita y rutilo. Estos están dispuestos espacialmente en varias formas esféricas, cúbicas, laminares y de red. Se consideran varias aplicaciones para este proceso de producción de nanopolvos de titania. CV 2015 AIP Publishing LLC. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4926491]

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El misterio de las centellas (1365)

El misterio de las centellas (1365)

Calentamiento localizado por microondas (LMH) de basalto: lava, plasma polvoriento y expulsión de rayos en forma de bola por un “volcán en miniatura”

10 de septiembre de 2019

Eli Jerby y Yoav Shoshani

Scientific Reports volumen 9, Número de artículo: 12954 (2019) Citar este artículo

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Resumen

Este artículo presenta varios fenómenos obtenidos por el calentamiento por microondas localizado (LMH) del basalto, incluidos los efectos del derretimiento del núcleo interno, la erupción y el flujo de lava (desde el núcleo fundido hacia el exterior), la eyección de plasma del basalto (en forma de columna de fuego y de centella), y efusión de polvo (depositado como polvo por el plasma). Los experimentos se llevan a cabo irradiando una piedra de basalto (~30 cm3 de volumen, ya sea de forma natural o cortada en un ladrillo cúbico) en una cavidad de microondas, alimentada por un magnetrón adaptativo (~1 kW a 2,45 GHz). Se observan los efectos de LMH y la inestabilidad térmica fuera de control en el basalto y se comparan con la teoría. Varios in- y ex-situ se utilizan diagnósticos para caracterizar el plasma polvoriento observado y sus productos de nanopartículas. Se advierte la semejanza de los fenómenos experimentales obtenidos en pequeña escala de laboratorio con fenómenos volcánicos gigantes en la naturaleza, y se discute su relevancia potencial para futuros estudios volcánicos. En particular, mostramos que LMH podría ser fundamental para demostraciones de laboratorio y simulaciones de efectos de volcanes en miniatura, como flujos de lava, formación de vidrio volcánico (obsidiana), erupción de plasma polvoriento y ceniza volcánica, y expulsión de centellas. Estos hallazgos también podrían ser significativos para diversas aplicaciones, como perforación y minería, espectroscopia de descomposición inducida por microondas (MIBS), extracción de minerales y producción de polvo directamente a partir de basaltos.

Introducción

El calentamiento por microondas es único, en comparación con otras técnicas de calentamiento, porque puede generar inicialmente la energía térmica dentro del objeto irradiado (debido a la penetración de la radiación de microondas en el interior y su absorción y conversión en calor en el mismo)1. Además, el calentamiento por microondas localizado (LMH, por sus siglas en inglés) y la consiguiente formación de puntos calientes por la inestabilidad descontrolada térmica pueden provocar la fusión local de diversos materiales (p. ej., silicatos2) e incluso la eyección de plasma al exterior.

La inestabilidad térmica fuera de control3, no deseada en la mayoría de las aplicaciones de microondas, puede intensificar el efecto de localización del calor4,5. Ocurre en materiales con propiedades dependientes de la temperatura, lo que hace que la región más caliente (típicamente el núcleo) se vuelva más susceptible a un mayor calentamiento por microondas que las partes exteriores más frías. Esta inestabilidad de retroalimentación positiva localiza el calentamiento por microondas y concentra la energía térmica y, por lo tanto, eventualmente conduce a la creación de un punto caliente fundido.

Los efectos del calentamiento por microondas en los basaltos, como la fusión, el agrietamiento y la trituración6,7,8,9,10,11,12, se han estudiado en varios contextos, principalmente relacionados con aplicaciones de minería y construcción. El efecto de fuga térmica en el basalto5,9 conduce a la formación de un punto caliente y se funde dentro de la piedra6,9,10, como se ilustra en la Fig. 1A. La irradiación adicional de la piedra de basalto mediante una potencia de microondas regulada puede mantener de forma estable el núcleo fundido en el interior, en un equilibrio térmico. Sin embargo, un ligero aumento en la potencia puede elevar la temperatura y aumentar la presión dentro de la piedra. Entonces pueden aparecer grietas en la superficie de la roca; el derretimiento interno puede entrar en erupción y fluir como una corriente de lava sobre la superficie (Fig. 1B), como un “volcán en miniatura”. Aquí también hemos encontrado que una mayor irradiación del basalto calienta el punto de acceso hasta un punto en el que el plasma es expulsado de su superficie, como se muestra en la Fig. 1C?13.

Figura 1

imageIlustraciones conceptuales del proceso LMH en basalto. (A) Fusión del núcleo: la energía de microondas se irradia hacia el núcleo de la piedra de basalto, se convierte en calor en el interior y se funde el núcleo mediante un mecanismo LMH. El núcleo fundido (visto en la imagen como un magma interno a través de la superficie sólida porosa) se puede mantener estable en equilibrio. (B) Erupción de lava: un ligero aumento en la potencia de microondas puede elevar la presión dentro de la piedra e inducir grietas de las cuales la lava brota y fluye hacia la superficie de basalto. La imagen muestra el núcleo fundido saliendo como corrientes de lava volcánica. (C) Eyección de plasma polvoriento: la irradiación adicional provoca una emisión de plasma del basalto fundido. La imagen muestra una columna de fuego de plasma expulsada hacia arriba desde el basalto fundido. (D) Bola de fuego flotante: una bola de fuego similar a un rayo se desarrolla a partir de la columna de plasma (ya sea asociada con una columna de fuego o sola). La imagen muestra una bola de fuego flotando dentro de la cavidad.

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Los plasmas generalmente se generan a partir de basaltos por varios otros medios, sin involucrar microondas. Los estudios experimentales reportados en la literatura incluyen, por ejemplo, plasma generado a partir de basalto por láseres de CO2 y Nd:YAG (para espectroscopía de ruptura inducida por láser, LIBS)14; plasmas acoplados inductivamente de basalto en diversas formas (roca, fibra y vidrio) analizados por espectroscopía de emisión atómica15; y una pulverización de plasma de basalto en forma de polvo implementada en una técnica de recubrimiento de basalto16.

Como se observa en el presente trabajo13, a partir de un punto de acceso de LMH en basalto, el plasma primero se expulsa y evoluciona como una columna de fuego, que se mantiene estable por la radiación de microondas. Entonces, también puede emitir una bola de fuego, flotante en la atmósfera de aire dentro de la cavidad, como se muestra en la figura 1D. Esta bola de fuego originada por basalto está adyacente a la columna de fuego iniciadora o separada de ella, tendiendo a flotar hacia la fuente de microondas (como en las referencias2,17,18,19).

Este artículo presenta observaciones de fenómenos similares a volcanes en experimentos de basalto-LMH, también en comparación con la teoría; caracteriza el plasma polvoriento expulsado y sus productos de nanopolvo; y analiza el potencial de LMH como un medio para simulaciones experimentales a escala de laboratorio de los efectos volcánicos y para otras aplicaciones de procesamiento de materiales.

Configuración experimental

Los experimentos de LMH presentados en este documento se realizaron en la configuración experimental ilustrada en la Fig. 2A, B [Método 1]. La cavidad de microondas (Fig. 2A) está hecha de una guía de ondas de sección transversal de 10 × 5 cm2 , cortocircuitada en el extremo por un reflector de microondas. Esta estructura en forma de jaula de la cavidad, con amplias aberturas (~22 mm) entre las paletas, permite el acceso directo y una visión amplia desde varias direcciones en la región de interacción (con líneas de visión inmediatas para los diversos medios de diagnóstico). La cavidad es alimentada por un magnetrón de 2.45 GHz (regulado hasta 1 kW de potencia de entrada).

Figura 2

imageEl montaje experimental empleado. (A) La cavidad de microondas en la que se sitúa la piedra de basalto (o un ladrillo cúbico) y se somete a la interacción LMH. Las paredes laterales consisten en estructuras periódicas bajo corte, que evitan fugas de microondas pero permiten un acceso abierto a la interacción (por ejemplo, para un diagnóstico en tiempo real con una línea de visión directa). Un electrodo móvil (o una matriz de electrodos) puede dirigir opcionalmente las microondas hacia el núcleo de basalto y, por lo tanto, acelera la creación del punto caliente fundido en el interior. Al ajustar la potencia de microondas, la lava puede salir del núcleo fundido. Además, una columna de plasma (e incluso una bola de fuego) puede expulsarse hacia la atmósfera y depositar nanopartículas en el colector (situado en el techo de la cámara). (B) Un diagrama de bloques de la instrumentación experimental. Los diagnósticos típicos incluyen un espectrómetro óptico, cámaras térmicas y de video, mediciones de dispersión de microondas y una sonda I – V.

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Al aplicar LMH, el núcleo interno del basalto se funde primero6,8,9,10. La irradiación adicional conduce a la erupción del basalto fundido, desde el núcleo hasta la superficie (de manera similar a la erupción y el flujo de lava en los volcanes). El basalto fundido se enfría y se solidifica en un vidrio negro (obsidiana). Una irradiación adicional hace que el basalto emita una columna de plasma polvoriento, que evoluciona a una columna de plasma confinada y luego a un plasmoide similar a una bola de luz natural. Estos plasmoides similares a columnas de fuego y bolas de fuego se caracterizan aquí por varios medios in situ y ex situ.

El uso opcional de un electrodo móvil (como en el dispositivo de perforación por microondas20 y en estudios previos de plasma2,21) puede acelerar el proceso de erupción al intensificar el campo eléctrico local. Sin embargo, pueden ocurrir efectos similares en el basalto sin electrodo como se demuestra aquí también (aunque de una manera menos controlable). El electrodo permite alcanzar la temperatura de fusión de manera más local y rápida dentro de un punto de acceso debajo de la superficie, lo que proporciona un camino para la erupción de lava desde el núcleo fundido. Aquí también examinamos el uso de una matriz de electrodos para inducir múltiples puntos de acceso.

Resultados

Derretimiento del núcleo y erupción de lava

Los efectos del derretimiento del núcleo, seguido de la erupción y el flujo de lava (y una mayor solidificación en obsidiana) se han observado en LMH de piedras de basalto natural en estos experimentos, como se muestra en la Fig. 3A (sin electrodo). Como alternativa a las piedras de forma natural, también se han experimentado con ladrillos cúbicos (de 3 cm de lado) cortados de basaltos naturales, ya que su geometría bien definida permite una mejor comparación con simulaciones numéricas. Los experimentos LMH con cubos de basalto (usando electrodos) dieron como resultado efectos similares de fusión del núcleo y erupción y flujos de lava, como se muestra en la Fig. 3B. La imagen térmica en la Fig. 3B(e) indica que la temperatura de la lava fundida superó los ~1200 K. La lava brota desde el núcleo hacia el exterior y luego fluye hacia abajo por gravedad con una velocidad de flujo frontal de ~1 cm/s, mientras que su color varía de blanco luminoso a naranja y rojo [ Vídeo complementario S1a y S1b]. Eventualmente se enfría y se vitrifica en vidrio volcánico negro, a saber, obsidiana. Se observan varios otros fenómenos similares a volcanes (como también se muestra en la Fig. 3A, B), como formaciones de burbujas y domos, fisuras y cráteres, conductos de ventilación, explosiones, estallidos de lava y túneles de lava. Esto último se observa, por ejemplo, cuando los electrodos crean simultáneamente dos puntos calientes en dos caras opuestas del ladrillo de basalto. Luego, se desarrolla un efecto de túnel de lava interno, en el núcleo entre los dos puntos calientes, como se observa a través de la superficie exterior porosa del ladrillo de basalto [Video complementario S2].

Figura 3

imageCalentamiento y fusión de basalto por LMH, flujos de lava y vitrificación a obsidiana. (A) Piedras de basalto de forma natural (de ~5 cm de largo) bajo LMH: (a) Fusión del núcleo interno; (b) erupción y flujo de lava; (c) formación de un cráter; (d) una cúpula de una capa delgada de vidrio volcánico (obsidiana) creada por lava burbujeante; (e) un rastro de flujo de lava solidificado en obsidiana. (B) Interacciones de LMH mejoradas con electrodos con piedras de basalto cortadas en cubos de 3 cm de lado (esta geometría bien definida permite un mejor control de la repetición experimental y una comparación más precisa con las simulaciones numéricas): (a) Una imagen del punto de acceso interno capturado a través del lado exterior sólido del cubo; (b) un cubo de basalto después de una interacción LMH parcial (detenida antes de la erupción) que revela el núcleo fundido en el interior que se ha solidificado en obsidiana. La superficie exterior ha permanecido en su textura original excepto algunas grietas (se eliminó la esquina para exponer el interior fundido)); (c) una cúpula de burbujas que explotó durante la erupción de lava (hecha de una capa delgada, crujiente y frágil, de obsidiana); (d) la lava fluye desde el núcleo fundido del cubo hacia el exterior; (e) una imagen térmica de la erupción de lava desde el núcleo a través de múltiples puntos calientes en la superficie inferior inducida por un conjunto de electrodos (la temperatura de la lava supera los 1200 K); (f) queda un núcleo hueco después de que la lava haya estallado y corrido hacia el exterior, dejando un vacío en el interior y restos solidificados de obsidiana.

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El análisis teórico de la interacción LMH del basalto ([Método 2] incorpora la inestabilidad térmica fuera de control y la dependencia interactiva de la temperatura de las propiedades del basalto9. Las simulaciones numéricas presentadas en la Fig. 4A-C muestran la formación del punto de acceso interno y la fusión del núcleo antes a la erupción de lava, de acuerdo con los resultados experimentales (sin electrodo).El efecto adicional de la geometría afilada en la evolución de LMH se demuestra en la Fig. 4C (a-c), mediante simulaciones de varias formas, como una piedra afilada (a) y esquemas de electrodo único y múltiple (b, c).

Figura 4

image(A) LMH de un ladrillo cúbico de basalto (sin electrodo) y el perfil de temperatura evolucionó: (a) Las dependencias de temperatura de las conductividades térmica y eléctrica, k th y ? c, respectivamente, que permiten el basalto LMH. (b) Una simulación numérica del proceso LMH de basalto [Método 2] muestra el núcleo fundido dentro del cubo de basalto irradiado, alcanzando 1400 K después de 70 s, sin electrodo. (c) Una imagen térmica del núcleo fundido capturada a través de los lados exteriores sólidos del cubo (observe también el perfil de temperatura en la superficie superior). (B) Comparación entre simulación numérica y resultados experimentales de la evolución temporal y espacial de los perfiles de temperatura en la superficie del cubo de basalto: (a) La evolución temporal de la temperatura en el centro de la cara, con y sin electrodo; (b) la evolución de la temperatura espacial a lo largo de la superficie de la cara exterior del cubo de basalto sin electrodo (los intervalos de tiempo entre las curvas corresponden a la curva sin electrodo de la Fig. 4B(a)). (C) Simulaciones numéricas de varias formas destinadas a intensificar el proceso LMH en comparación con el esquema sin electrodo simulado en la Fig. 4A (b)con la misma potencia de entrada: (a) Una forma de piedra piramidal; (b) un solo electrodo, y (c) una matriz de electrodos. La fusión superficial más rápida se obtiene con un solo electrodo (0.5 MV/m en 10 s), mientras que el esquema sin electrodo proporciona una fusión del núcleo interno, como se muestra en la Fig. 4A(b,c).

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Eyección de plasma polvoriento en forma de columnas de fuego y bolas de fuego

En este estudio, hemos encontrado que una irradiación de microondas adicional del basalto fundido provoca una eyección de plasma. En este proceso, el efecto de localización de microondas continúa evolucionando y calentando el fundido y, por lo tanto, se expulsa plasma como se muestra en la Fig. 5A (a-d) y el video complementario S3. A partir de un punto caliente fundido (a), el plasma se emite primero (b) y luego forma una columna de fuego estable (c). En algunos casos, también se desarrolla otro plasmoide en forma de bola de fuego, ya sea junto a la columna de fuego (d) o separado de ella, como se muestra en la Fig. 5B (d) y el video complementario S4. La bola de fuego separada suele ser menos estable que la bola de fuego adyacente a una columna de fuego y tiende a moverse hacia el magnetrón. La bola de fuego desaparece en unos pocos segundos, de forma similar a la bola de luz natural22. Otros modos de eyección de plasma de los basaltos observados en este estudio son una erupción de columna de fuego desde un domo hecho de una capa delgada de obsidiana (volada por la erupción de lava) y una eyección simultánea de dos columnas de plasma desde dos puntos calientes diferentes, como se muestra en la Fig. 5B (b, c), respectivamente (ambos efectos se presentan en el video complementario S5).

Figura 5

imageEyección de plasma de basaltos fundidos en forma de columna de fuego y bola de fuego. (A) La evolución del plasma a partir de un punto caliente fundido en una piedra de basalto de forma natural: (a) El punto caliente se forma y evoluciona más; (b) una pluma de plasma se expulsa inicialmente desde el punto de acceso; (c) una columna de fuego estable es alimentada por la emisión del punto de acceso; (d) una bola de fuego se separa de la columna de fuego (más allá de ella) y flota en la atmósfera del aire. (B) Varias observaciones de eyección de plasma de basaltos fundidos: (a) Una imagen térmica de un punto caliente con una temperatura superior a 1,500 K, que emite plasma; (b) una columna de plasma expulsada de una cúpula de basalto fundido, volada por la erupción de lava del núcleo; (c) un par de columnas de plasma expulsadas de dos puntos calientes adyacentes evolucionaron en la superficie de basalto; y (d) una bola de fuego independiente que flota en la atmósfera del aire dentro de la cavidad. (C) Reflexiones de microondas durante las diversas etapas de la evolución del plasmoide: (a) El coeficiente de reflexión ??= |?| y la temperatura del punto de acceso medida en función del tiempo, que muestra una caída abrupta de los reflejos de microondas durante el aumento de la inestabilidad térmica fuera de control. (b) Una presentación de diagrama de Smith del coeficiente de reflexión complejo ?, a partir de un desajuste (|?| ~ 1) en la etapa de punto de acceso (como en la Fig. 5A(a)), reducido a |?| ~ 0.4 en la etapa de columna de fuego (Fig. 5A(c)), y emparejado con |?| ~ 0 por la bola de fuego autoadaptada (Fig. 5A(d)). Resultados de la simulación de cargas ficticias dieléctricas (???r?= 20, 25, 30) con una forma de columna similar en varias posiciones, se muestran como comparación para estimar la impedancia de plasma efectiva.

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Caracterización de LMH y plasma

Se aplicaron diversas técnicas de diagnóstico con el fin de caracterizar la LMH del basalto, así como el plasma expulsado de la misma y sus productos. Estos medios de diagnóstico incluyen análisis de dispersión de microondas, espectroscopia óptica y microscopía electrónica de barrido (SEM). Los análisis de las microondas dispersadas por el plasmoide dan como resultado una estimación de su impedancia de microondas, que proporciona una medida de sus propiedades dieléctricas y de plasma. Los reflejos de la entrada de microondas de 2.45 GHz se detectan durante las distintas etapas del proceso LMH. El coeficiente de reflexión complejo ? (Fig. 5C(a)), también presentado en forma de gráfico de Smith en la Fig. 5C(b), muestra que la reflexión de microondas tiende a disminuir (de |?| ~ 1 a ~0.4) después de la eyección de plasma, y a disminuir aún más (a |?| ~ 0) cuando emerge una bola de fuego (Video complementario S6). En la etapa de columna de fuego estable, el coeficiente de reflexión rebota alrededor de ~ 0.4, mientras es atraído por el origen del gráfico de Smith. La reflexión de potencia correspondiente es inferior al 20% en esta etapa, por lo que el plasmoide interactúa con su fuente de microondas como una carga adaptativa. En la etapa de bola de fuego, este mecanismo de autoajuste tiende a maximizar la potencia de microondas absorbida por la bola de fuego, optimizando su intensidad, posición y tamaño. La estimación de la impedancia del plasma y las propiedades dieléctricas se basa en una comparación de las medidas de reflexión con los resultados de la simulación de una carga ficticia, con forma, posición y tamaño equivalentes18,19,23.

El espectro óptico de la luz emitida por la columna de plasma de basalto (Fig. 6A,B) revela sus líneas atómicas, que se identifican usando24 a partir de Fe, P, C, Si, Al, Mg, Ti y Ca. Todos estos elementos son conocidos como ingredientes de las rocas basálticas. La técnica de diagrama de Boltzmann, implementada en las líneas de Fe y Ti, da como resultado estimaciones de temperatura de excitación de Texc ?~ 0.3 y ~ 0.6 eV, respectivamente (Fig. 6C). La emisión espectral de radicales OH se identifica ajustando los datos de LifBase25. La temperatura rotacional también se estima aproximadamente en el mismo rango de Trot ?~ 0.3–0.6 eV (Fig. 6D).

Figura 6

imageMediciones y análisis de espectroscopia óptica de plasmoides de basalto: (A) Un espectro típico de líneas de emisión atómica detectadas en el plasma de basalto. (B) El espectro observado en el rango de longitud de onda corta. (C) Un gráfico de Boltzmann de las líneas de Fe y Ti que se muestra en la Fig. 6B anterior. (D) La emisión de radicales OH en comparación (mediante ajuste) con la simulación LifBase, ambos dan como resultado estimaciones de temperatura en el rango Texc ?~ Trot ?~ 0.3–0.6 eV.

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Se inserta una sonda Langmuir en el plasma para medir sus características IV (Fig. 7A(a)). Solo se observan resultados válidos cuando el fundido fluye hacia el piso de la cámara conectada a tierra y cierra los circuitos eléctricos para habilitar un bucle de corriente (de lo contrario, se miden corrientes más pequeñas debido a la alta impedancia de la capa de polvo depositada por el plasma en el techo) [ Vídeo complementario S7]. La histéresis observada en la curva IV (Fig. 7A(b)) se atribuye al efecto capacitivo creado por el polvo depositado en el electrodo. Una estimación aproximada de la temperatura de los electrones por las pendientes de las curvas da como resultado Te?~ 0.3 eV y ~0.6 eV, para la subida y bajada de tensión, respectivamente. Este rango coincide con los resultados estimados por espectroscopía óptica.

Figura 7

image(A) Mediciones de la curva IV característica: (a) La configuración eléctrica de una sonda tipo Langmuir alimentada por un voltaje alterno de 50 Hz, 100 V, y (b) una curva IV típica medida con esta sonda. Las diferentes trayectorias de subida y bajada de tensión (flechas) se atribuyen a la capacitancia adicional creada por la deposición de polvo por el plasma en la sonda. La temperatura de los electrones estimada es de ~0.3 a 0.6 eV, similar a las medidas ópticas anteriores. Tales curvas IV solo se obtienen cuando el fundido fluye hacia abajo, como se ilustra en la Fig. 7A(a), y cierra el circuito de corriente eléctrica al piso de aluminio conectado a tierra (tenga en cuenta que el polvo depositado por el plasma aísla la placa colectora superior). (B) Análisis de dispersión del plasma mediante un barrido de señal de sondeo adicional en el rango de frecuencia de 0.8 a 1.5 GHz: (a) El coeficiente de transmisión S21, medido con y sin plasma, muestra un aumento de > 20 dB en el acoplamiento debido al plasma acortamiento de los brazos del acoplador 1 y 2 (mostrado en el recuadro). Una simulación de carga equivalente da como resultado ?r ?~ 0.3 ?? j50 para este efecto. (b) la variación espectral de S21 frente al tiempo durante la evolución del plasma, y (c) la variación de S21variación de transmisión vs. tiempo en la frecuencia anti-nodo (~1.245 GHz), con respecto a la variación de temperatura del hotspot. El aumento abrupto en el coeficiente de transmisión está asociado con la disminución en la temperatura del punto de acceso medido, que ocurre en la eyección de plasma.

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Las mediciones de dispersión de microondas también se realizan en otros rangos de frecuencia, irradiando el plasmoide con otra señal de sondeo a baja potencia. Este último se acopla a través de puertos de entrada y salida adicionales (marcados con 1 y 2, respectivamente, en el recuadro de la figura 7B(a)). Los resultados de dispersión para los coeficientes de transmisión de microondas (medidos y simulados) en una banda de frecuencia más baja (0.8–1.5 GHz) se muestran en la Fig. 7B(a), con y sin plasma. Los resultados muestran que cerca de la frecuencia antinodo del acoplamiento entre los puertos 1 y 2 (~1.25 GHz, correspondiente a L ?~ ?/2, donde L es la longitud del brazo del acoplador), el coeficiente de transmisión S21 aumenta en >20 dB en presencia de plasma. De hecho, por debajo de la frecuencia del plasma, la columna de fuego se comporta como un conductor, lo que acorta la longitud del brazo del acoplador a la mitad (~ L/2 ~ ?/4) y, por lo tanto, aumenta significativamente la transmisión de microondas entre los puertos 1 y 2. Una simulación numérica de este acoplador, con una carga equivalente en forma de columna en su interior, nos permite estimar la permitividad dieléctrica del plasma. Como se muestra en la figura 7B(b,c), el aumento de la transmisión en la frecuencia del antinodo sigue al aumento abrupto de la temperatura, en el que el plasma cambia del estado desacoplado al estado acoplado de los puertos 1 y 2.

Efusión de polvo y análisis ex situ

El plasma de basalto produce una cantidad significativa de polvo, que se deposita como un polvo blanco en el colector que se muestra en la Fig. 2A. Las morfologías superficiales de las partículas creadas por el plasma se caracterizan mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM) [Método 1]. Las partículas acumuladas se observan en varias formas, en su mayoría agregados en tamaños de pocos micrómetros. La Figura 8A(a–f) muestra agregados de dichas partículas en la superficie del colector según lo observado por SEM. Los análisis de espectroscopia de dispersión de energía (EDS) revelan que estos agregados están compuestos por los elementos enumerados en la Tabla 1, también típico del contenido de basalto original. Además, el plasma de basalto genera partículas esféricas más grandes, en tamaños de decenas de micrones y más grandes, como se ve en el colector (Fig. 8A, B (a)). También se notan agujeros de tamaños similares en la superficie del colector (este hallazgo puede sugerir un bombardeo de partículas o un efecto de localización de plasma). Se observan regiones similares a islas tras la deposición de polvo blanco sobre el colector, como se ve en la Fig. 8A(c). EDS muestra que en su mayoría consisten en aluminio, como el colector mismo, por lo que pueden indicar un efecto de grabado.

Figura 8

imageObservaciones SEM ex situ de los productos de polvo depositados por el plasma. (A) Observaciones SEM del colector: (a) Agregados de formas similares a flores distribuidas uniformemente sobre la superficie del colector. El recuadro muestra una partícula típica de ~5- ?m de diámetro; (b) un ejemplo de una esfera más grande observada, de ~ 0.2 mm de diámetro; (c) una región similar a una isla, compuesta principalmente de aluminio (posiblemente debido al grabado con plasma del colector); (d) cráteres y agujeros de tamaños comparables de ~0.1 mm de diámetro; (e) las partículas esféricas residen en los cráteres, lo que podría atribuirse al bombardeo de partículas o al efecto de localización del plasma; (f) la superficie del colector cubierta por agregados de formas similares a flores esparcidas sobre ella como una capa, con varios rastros de estructuras más grandes (~20- ?m de diámetro) sumergido en él. (B) (a) Una imagen óptica del polvo blanco acumulado en el colector, con partículas esféricas relativamente grandes observadas. El espesor de la capa de polvo depositado medido por SEM es de 10 a 30 ?m (el rasguño marcado en rojo se hizo para evaluar el espesor de la capa). (b) Una imagen SEM del vidrio volcánico obtenido muestra estructuras más oscuras parecidas a corrientes en la obsidiana vitrificada y áreas más brillantes parecidas a islas en el medio. Los análisis EDS de estos productos brillantes dan como resultado la composición elemental presentada para la obsidiana en la Tabla 1.

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Tabla 1 La composición elemental de la piedra de basalto original y las dos fases sólidas producidas; la masa fundida vitrificada (obsidiana) y el polvo acumulado en el colector (valores típicos en % en peso).

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También se realizaron análisis EDS en la piedra de basalto en su forma original y en su estado fundido (Fig. 8B(b)), con el fin de comparar las composiciones del producto vitrificado (obsidiana) y la piedra natural. La Tabla 1 muestra la presencia relativa de los elementos constitutivos en las diversas fases de este proceso, a saber, la piedra natural, la masa fundida y el polvo depositado. Las relaciones de peso difieren entre las diversas fases. Sin embargo, parece que el polvo depositado consiste en elementos proporcionados únicamente por el basalto (por ejemplo, Si y Fe). Estos ingredientes del polvo probablemente se extrajeron del basalto y luego evolucionaron y fueron transportados por el plasma al colector. En consecuencia, estos elementos también se detectaron dentro del plasma mediante espectrometría óptica.

El patrón de difracción de rayos X (XRD) de muestras masivas de basalto fundido muestra picos de difracción de baja intensidad, lo que sugiere que la mayor parte de la muestra consiste en vidrio. Por la posición de los picos, es posible determinar que las dos fases cristalinas principales son un óxido de aluminio, magnesio y hierro, y un silicato de magnesio y hierro. El patrón de difracción de la deposición blanca (Fig. 8B(a)) permite determinar la presencia de fases cristalinas en el polvo, incluyendo tres fases de silicato (Enstatita (Mg,Fe)2Si2O6, Augita (Ca,Mg,Fe)2Si2O6 y Mullita 3Al2O3·2SiO2) y dos óxidos (Periclasa MgO y Wustite Fe0.9O). Los picos observados están relacionados con una fase con fósforo, posiblemente en fase amorfa (como lo confirma el fondo modulado).

Un modelo simplificado de interacción de microondas con plasma polvoriento26 [Método 3] arroja una estimación de la densidad de electrones en el plasma originado por basalto como ne ?~ 1017 – 1018 m?3, asumiendo una temperatura de electrones deTe ?~ 0.3–0.6 eV (estimado por las diversas mediciones anteriores) y una densidad de número de polvo de nd ?~ 1016 m?3, medida por dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) de plasmas polvorientos elementales similares18,23,27,28. Por lo tanto, este plasma se caracteriza como un plasma polvoriento de baja densidad y débilmente ionizado, que contiene componentes de la piedra de basalto original (p. ej., óxidos de silicio y hierro).

Discusión

Las capacidades de modelado de los fenómenos volcánicos son esenciales para los estudios de campo y de laboratorio. La investigación contemporánea de los procesos volcánicos incorpora una variedad de modelos teóricos y experimentales en un enfoque interdisciplinario, que incluye la termodinámica, la mecánica de sólidos, la dinámica de fluidos y las ciencias de los materiales29. Los modelos teóricos, por ejemplo, de flujos piroclásticos30, deformación elastoplástica del suelo31 y predicción del transporte de cenizas volcánicas32, mejoran la comprensión y la previsibilidad de estos procesos. Los modelos de laboratorio de volcanes y fenómenos de lava emplean materiales análogos para estudiar experimentalmente, por ejemplo, domos de lava33, dinámica de lava submarina34 y el manto que fluye35.

En este enfoque interdisciplinario, el estudio LMH-basalto presentado aquí puede abrir nuevas posibilidades para el modelado experimental en vulcanología y geociencias. El derretimiento del núcleo de basalto controlable y los efectos del flujo de lava observados aquí en una escala de laboratorio en miniatura, y su parecido con los fenómenos volcánicos gigantes en la naturaleza, se pueden utilizar para simulaciones y demostraciones experimentales a pequeña escala de varios fenómenos volcánicos.

Los fenómenos naturales de centellas, ocasionalmente asociados con erupciones volcánicas, también pueden modelarse experimentalmente mediante la columna de fuego y plasmas de bola de fuego generados por LMH. Se ha registrado una gran cantidad de avistamientos de bolas de fuego en los últimos siglos22, muchos de los cuales ocurrieron cerca de volcanes o en momentos de fuerte contaminación del aire causada por erupciones volcánicas. Las mediciones espectrográficas de centellas naturales revelan la presencia de Si, Fe, Ca y Al36 como en el suelo, en línea con la teoría que sugiere que las centellas se generan cuando los rayos caen sobre el suelo37. Estos elementos también aparecen en las mediciones de espectroscopia del plasma generado por basalto (junto con otros componentes de basalto), en semejanza a los estudios de centellas naturales22,36,37. Este hallazgo agrega otro aspecto a la similitud visual de las bolas de fuego generadas por microondas con los fenómenos naturales de centellas2,38).

El fenómeno de los rayos dentro de las erupciones de penachos de ceniza volcánica en la naturaleza también ha sido registrado y estudiado39. Este rayo de alta energía modifica químicamente y funde la ceniza volcánica40, generando formas esféricas similares a las observadas en el polvo acumulado en este estudio. Por ejemplo, la composición de la ceniza volcánica muestreada en la erupción del Monte St. Helens el 18 de mayo de 198041 incluye SiO2 (65%), Al2O3 (18%), FetO3 (5%) y partículas más pequeñas cantidades de MgO, CaO, Na2O, K2O, TiO2 y P2O. A modo de comparación, el polvo acumulado a partir del plasma generado por basalto consta de elementos similares, como se enumeran en la Tabla 1. La concentración relativamente alta de fósforo (y también de Na y K) detectada en el polvo puede atribuirse a su temperatura de fusión relativamente baja. Este efecto ambientalmente significativo también presenta cenizas volcánicas42.

Quedan desafíos importantes para futuras investigaciones, incluidas investigaciones en profundidad y modelado de (a) la interacción LMH con basalto y transiciones de fase, (b) mecanismos de eyección de plasma y efectos de la emisión termoiónica, (c) interacciones de microondas con plasma polvoriento y partículas aglomeración en el mismo, (e) interacciones plasma-superficie y reacciones plasma-químicas que ocurren en este proceso.

En un enfoque más orientado a la tecnología, este estudio de LMH en basaltos podría ser relevante para varias aplicaciones potenciales, incluidas, por ejemplo, (a) perforación asistida por microondas en basaltos20, (b) agrietamiento y trituración de basaltos para operaciones de minería y construcción43, (c) vitrificación de basalto, producción y revestimiento de vidrio, (d) unión de ladrillos de basalto, (e) extracción directa de minerales en forma de polvo mediante la producción de plasma polvoriento a partir de basaltos, y (f) análisis e identificación de rocas contenidos en el campo mediante sistemas portátiles de espectroscopia de descomposición inducida por microondas (MIBS)44 (como una variación de la técnica LIBS basada en láser45).

Métodos

Método 1. Experimental

Los procesos de fusión del basalto y la eyección del plasmoide se inician en este estudio dirigiendo energía de microondas localizada al espécimen de basalto. Este efecto de localización se implementa mediante el mecanismo de perforación por microondas20, que crea el punto de acceso desde el cual se expulsa el plasma en forma de columna de fuego o bola de fuego hacia la cavidad.

La configuración experimental que se muestra en la Fig. 2A,B incluye una cavidad de microondas alimentada por un magnetrón de 1 kW y 2.45 GHz. La cavidad está hecha de una guía de ondas de sección transversal de 10 × 5 cm2, cortocircuitada en el extremo por un espejo hecho de una serie periódica de paletas metálicas, bajo corte. También se instalan conjuntos similares como paredes laterales de la cavidad. Esta estructura de jaula evita las fugas de microondas y, sin embargo, permite una visión amplia de la guía de ondas sin perturbar los diversos medios de diagnóstico in situ (como la cámara térmica y el espectrómetro óptico que requieren líneas de visión directas).

En este experimento usamos piedras de basalto (de las alturas del Golán) ya sea en sus formas naturales originales o cortadas en 3 ladrillos cúbicos (3 cm). Esta carga se coloca dentro de la cavidad en una posición optimizada mientras que el electrodo móvil (opcional) dirige la energía de microondas localmente hacia el sustrato. Varios niveles de enfoque están disponibles opcionalmente en esta configuración, incluyendo (i) un enfoque de electrodo único como en la Fig. 2A, (ii) enfoque sin electrodo y (iii)) un enfoque de matriz de electrodos múltiples. Cada electrodo en esta matriz acelera la excitación intencional del punto de acceso en su vecindad, cuando se pone en contacto con la superficie de piedra basáltica y, por lo tanto, permite la estimulación del LMH y la columna de fuego (y, en consecuencia, de una bola de fuego) de una manera más controlada. Moda. Por lo general, los electrodos se aplicaron a ladrillos cúbicos en estos experimentos, mientras que no se usaron electrodos con piedras naturales.

La fuente de alimentación conmutada del magnetrón (MagDrive-1000, Dipolar Ltd., Suecia) proporciona una potencia de microondas de entrada ajustable de hasta 1 kW. La potencia de microondas se entrega a la cavidad a través de un aislador y un sintonizador automático de impedancia (Homer, S-Team Ltd., Bratislava, República Eslovaca), como se muestra en la Fig. 2B. Las ondas incidentes y reflejadas son registradas por el modo de analizador de impedancia del sintonizador automático, que también permite la coincidencia de impedancia adaptativa y la transmisión óptima de la potencia de microondas en la cavidad. El ajuste adaptativo se aplica para intensificar el calentamiento del punto de acceso con el fin de expulsar el plasma (mientras que las mediciones sincronizadas del coeficiente de reflexión desembebido se presentan y almacenan para el análisis fuera de línea). Para obtener mediciones más precisas una vez que se expulsa el plasma, desactivamos el ajuste adaptativo para medir el coeficiente de reflexión real en lugar de la señal desincrustada. Esto es posible gracias al efecto de autosintonía del plasmoide, como alternativa a la adaptación de impedancia externa.

La microondas dispersada se analiza para encontrar la impedancia del plasmoide y, por lo tanto, estimar sus propiedades dieléctricas y de plasma. En primer lugar, se miden las reflexiones de la potencia de entrada de 2.45 GHz durante las diversas etapas que se presentan en la Fig. 1A–D. Las medidas de reflexión (como en la Fig. 5C) nos permiten encontrar la impedancia y las propiedades dieléctricas de la columna de fuego simulando una carga equivalente, con la misma forma, posición y tamaño.

Los medios de diagnóstico también incluyen grabación de video, imágenes térmicas, espectroscopía de emisión óptica (OES) y mediciones de plasma IV, todas realizadas a través de las aberturas de las paletas a lo largo de la guía de ondas. Un código de LabVIEW controla el sistema, sincroniza el tiempo entre todos los medios de diagnóstico y acumula los datos experimentales.

La grabación de la cámara de video (a 200 fps) se usa para monitorear, registrar tiempos y sincronizar entre efectos tales como formación de puntos calientes internos, grietas, roturas, erupción de lava y eyección de plasma con otros medios de diagnóstico utilizados en el experimento. Una vez expulsada, la grabación de video puede detectar el tamaño, la forma y la posición de la columna de plasma. Además, la cámara de video monitorea la evolución de las bolas de fuego y su forma y movimiento.

La cámara térmica FLIR-SC300 supervisa la evolución de la temperatura espacial de la muestra, la formación de puntos calientes y su temperatura y tamaño. Los datos de imágenes térmicas se comparan más tarde con los resultados de la simulación para validar el modelo físico.

Los espectros ópticos emitidos por las erupciones de lava y plasma (Fig. 6A) son capturados por un espectrómetro óptico (Avaspec-3648) con una resolución de 0.3 nm en el rango de 200 a 1000 nm. Los resultados se analizan para la identificación de elementos y la radiación de cuerpo negro, así como el ajuste de la curva de emisión radical y el diagrama de Boltzmann (para encontrar las temperaturas de rotación y excitación, respectivamente).

La temperatura de excitación se estima, como en las referencias18,23,27, mediante el uso de un diagrama de Boltzmann de la intensidad de la línea, asumiendo un estado de equilibrio térmico local parcial (pLTE) del plasma. La intensidad Iki de la transición del nivel de energía superior k al inferior i se da en la ecuación de Boltzmann,

ln(Iki?ki/gkAki) = ?(1/kBTexc)Ek+const.,ln(Iki?ki/gkAki) = ?(1/kBTexc)Ek+Const., (M1)

donde ?ki y Aki son la longitud de onda de transición y la probabilidad, respectivamente, kB es la constante de Boltzmann y Ek es el estado de energía superior con una degeneración gk (como en la referencia23, la dispersión relativamente grande de los resultados de la medición de la línea de ajuste en la Fig. 6C se debe a la resolución espectral de 0.3 nm y la consiguiente superposición de las líneas atómicas detectadas).

Se inserta una sonda tipo Langmuir en el plasma para medir sus características IV. Como se muestra en la Fig. 7A(a), la sonda de 1.6 mm de diámetro y 50 mm de largo es alimentada por un voltaje alterno de 50 Hz, ~100 V. Solo se observan resultados válidos cuando existe fusión como se ilustra en la Fig. 7A(a), y cierra los circuitos eléctricos para permitir el flujo de corriente (de lo contrario, se miden erróneamente corrientes mucho más pequeñas). Una razón presumible es el óxido de polvo aislante acumulado en las superficies metálicas, que agrega una resistencia significativa al bucle de corriente de plasma. La histéresis observada en la curva IV también puede indicar una contaminación del electrodo, lo que conduce a un efecto capacitivo.

Los productos en polvo se examinan ex situ , como en las referencias18,23,27, mediante un SEM ambiental FEI Quanta 200FEG. La composición del elemento químico se analiza mediante espectroscopía de dispersión de energía (EDS) con un detector de rayos X Oxford INCA refrigerado por nitrógeno líquido de Si (Li).

Método 2: modelo LMH y simulación

El proceso LMH (antes de la eyección de plasma) se modela mediante un conjunto de ecuaciones EM-térmicas acopladas4,5 para un medio no homogéneo con pérdida variable en el tiempo (dependiente de la temperatura) en una región delimitada (una piedra de basalto en una cavidad, en este caso). La permitividad dieléctrica efectiva del medio en el régimen de microondas se representa como una variable compleja por

?eff(T) = ?0[??r(T)-j(???r(T)+?(T)/??0)], ?eff(T)=?0[?r?(T)?j(?r??(T)+?(T)/??0)], (M2)

donde ?0 es la permitividad del vacío, ??r y ??r son los componentes real e imaginario, respectivamente, de la permitividad relativa dependiente de la temperatura del medio (donde T(x,y,z;t) es la temperatura, evolucionado espacial y temporalmente durante el proceso), y ?(T) es la conductividad eléctrica dependiente de la temperatura del medio.

La ecuación de onda EM está dada en el dominio de la frecuencia por

donde E~E~ es el vector de campo eléctrico de la onda EM, ? es la frecuencia angular de la onda EM, y k0=?0?0??????k0= ?0?0? es su número de onda.

La ecuación del calor está dada en el dominio del tiempo por

?Cp?T?t???(kth?T)=Q,?Cp?T?t???(kth?T)=Q, (M4)

donde ? es la densidad del medio (local), cp y kth son su capacidad calorífica y conductividad térmica, respectivamente, y Q (x,y,z;t) es la densidad de potencia absorbida en el medio, tal como evolucionó durante el proceso LMH. Este último está dado por

Q=1/2??0???r|E?|2+1/2?|E?|2, (M5)

para las pérdidas dieléctricas y óhmicas, respectivamente, y acopla las ecuaciones de onda EM y calor (ecuaciones M2 y M3, respectivamente, también acopladas por la dependencia de la temperatura de los parámetros EM del medio). La operación de frecuencia única y la variación de la temperatura en un tiempo relativamente lento (en una escala de > 1 ms) con respecto a la variación de la onda EM (en una escala de tiempo de ~1 ns) nos permite aplicar una aproximación de dos escalas de tiempo, por lo tanto, para resolver la ecuación de onda EM en el dominio de la frecuencia y la ecuación del calor en el dominio del tiempo. Los dos solucionadores se aplican iterativamente, cada uno con sus condiciones de contorno relevantes. Los parámetros del basalto dependientes de la temperatura, empleados en este análisis, se dan con las referencias relevantes en la Tabla 2.

Tabla 2 Las propiedades del basalto dependientes de la temperatura empleadas en las simulaciones numéricas, PN(p0,p1,p2, …pN) denota polinomios del -ésimo orden, ?Nn=0 pnTn.

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Con referencia a las propiedades del material esenciales para LMH, nuestros análisis previos de perforación por microondas (por ejemplo,4) muestran que el efecto de LMH intencional es factible en materiales como silicio, germanio, vidrio y varias cerámicas (por ejemplo, mullita, cordierita, zirconia, alúmina de 86% de pureza y arcilla) pero no por ejemplo en zafiro o alúmina pura (debido a sus pequeñas pérdidas dieléctricas). Además, el coeficiente de expansión y la densidad de masa pueden afectar la fragilidad y el agrietamiento del material (que parecen aparecer en nuestros experimentos con basalto después de la fusión interna). En el vidrio, la transparencia óptica puede ser útil para observar visualmente el núcleo fundido en el interior, pero no es necesaria para la evolución del punto de acceso (el efecto LMH también puede ocurrir en materiales dieléctricos opacos).

Método 3. Interacción de plasma polvoriento con microondas

Siguiendo la ref.26, la permitividad dieléctrica efectiva del plasma polvoriento, ?r, consiste en la permitividad del complejo de plasma, ??p???j???p, y de la conductividad del polvo ?ed26, como sigue

?r= ??p-j???p-j?ed/?0?,?r=?p??j?p???j?ed/?0?, (M6a)

donde?0 es la permitividad del vacío y ? es la frecuencia angular. La permitividad dieléctrica del plasma viene dada por sus componentes reales e imaginarias aproximadas,

??p=1??2p/?2+?2, (M6b)

???p=?2p?/?(?2+?2), (M6c)

respectivamente, donde ?p=?<?XML:NAMESPACE PREFIX = «[default] http://www.w3.org/1998/Math/MathML» NS = «http://www.w3.org/1998/Math/MathML» />e2ne/me?0 y ? son las frecuencias del plasma y de colisión, respectivamente, y e,ne y me son la carga, la densidad y la masa de los electrones, respectivamente. La conductividad del plasma polvoriento se da en condiciones similares por la ref.26, como

?ed??ed?/k^[?2-??ch(?2+?2ch)/(?2+?2)+j? ?+?ch/(?2+?2ch) (?2+?2)], (M7)

donde ?ed es el factor de carga, presentado en términos del factor de longitud de colisión de polvo y ld=(nd?r2d)?1 y ?ed=?2p?0/ld, con la densidad de grano de polvo y el radio de partícula promedio denotados por nd y rd, respectivamente. En este análisis, k^ representa la frecuencia angular espacial efectiva. La frecuencia de colisión de electrones se aproxima por, ??=VTe?nNn donde VTe=?kBVTe/me la velocidad térmica del electrón, ?n y Nn son la sección transversal y la densidad de los neutros, respectivamente, Te es la temperatura del electrón y ?ch es la frecuencia de carga del polvo.

Como en las referencias18,23, la simulación aquí incluye una cavidad de microondas cargada como se muestra en la Fig. 2A. La columna de plasma en el interior está representada por un cilindro dieléctrico de h?=50 mm de altura y dPC?=15 mm de diámetro. En el modelo de línea de transmisión heurística presentado en la ref.23, la columna de plasma está modelada por un elemento agrupado en una línea de transmisión (que tiene admitancias de YPC?=GPC?+?jBPC e Yc, respectivamente). La conductancia y la susceptancia de la columna de plasma se aproximan por GPC?=???0???rA/h y BPC?=???0??r A/h, respectivamente, donde A es el área de sección transversal efectiva de la columna de plasma. En este análisis (como en la referencia18, el espacio complejo ?r se escanea numéricamente para encontrar las condiciones que proporcionan valores de reflexión medidos en los experimentos. La parte real de ?r se elige inicialmente como 0.2 mientras que la parte imaginaria se busca entre 3 y 100. La simulación y las observaciones experimentales, presentadas en el gráfico de Smith en la Fig. 5C(b), dan como resultado una estimación de ???r?~ 25 para el factor de disipación efectiva (incluida la conductividad). Usando la temperatura de excitación encontrada por la gráfica de Boltzmann (~0.3–0.6 eV) y el tamaño de partícula de polvo obtenido por análisis SAXS de plasmas polvorientos similares18,23,27,28 con las suposiciones allí (p. ej., ??ch????2 y ?ch???2), la constante dieléctrica y la densidad electrónica correspondiente se estiman en este caso por

?r?1+?2p/?2+v2[-1+v/kˆld-j(v/?+1kˆ/ld)], (M8)

y

ne??me?0???r/e2 ?2+?2/?/?+1/k^/ld, (M9)

respectivamente, dondek^ se aproxima por ~?/dPCpara el perfil transversal finito de la columna de plasma. La ecuación (M9) produce ne?~ 1017–1018 m?3, de manera similar a otros plasmas y llamas débilmente ionizados a presión atmosférica en el aire.

Cuando la región de plasma polvoriento coexiste con el punto caliente fundido en la cavidad, la mayor parte de la energía de microondas es absorbida por el plasma. Esta dominación se observa visualmente, ya que la roca fundida tiende a enfriarse una vez que se expulsa el plasma, y también se evidencia por las mediciones de la cámara térmica (por ejemplo, en la Fig. 7B(c)). Este efecto también se verifica mediante simulación y mediante una estimación analítica (teniendo en cuenta los valores efectivos de la permitividad dieléctrica y la conductividad eléctrica de ambos medios, ?eff?=???+???? en un modelo de línea de transmisión con cargas concentradas23). Según esta estimación, la potencia de microondas absorbida por la columna de plasma es más intensa en al menos un orden de magnitud que la potencia absorbida por la roca.

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Agradecimientos

Esta investigación cuenta con el apoyo de la Fundación de Ciencias de Israel (Subvención No. 1896/16). Los autores también desean agradecer a los Dres. Zahava Barkay y Davide Levy por los análisis SEM y XRD, respectivamente, y los Profs. Shmuel Marco, Ehud Heyman y Rachman Chaim por sus útiles debates.

Información del autor

afiliaciones

Facultad de Ingeniería, Universidad de Tel Aviv, Ramat Aviv, 6997801, Israel

Eli Jerby y Yoav Shoshani

Contribuciones

EJ concibió el concepto fundamental, descubrió experimentalmente el efecto LMH de la emisión de plasma del basalto y supervisó el proyecto de investigación. YS participó en el diseño experimental, desarrolló el sistema de adquisición de datos y realizó las simulaciones y análisis. Ambos autores llevaron a cabo el trabajo experimental y escribieron el artículo juntos.

Autor correspondiente

Correspondencia a Eli Jerby.

Declaraciones de ética

Conflicto de intereses

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Información adicional

Nota del editor: Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Información suplementaria

Información complementaria: descripción de los videoclips

Vídeo S1a

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Vídeo S7

https://www.nature.com/articles/s41598-019-49049-5