摩擦発光

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サリチル酸-L-ニコチンでの摩擦発光

摩擦発光（英: Triboluminescence）は、光学現象の一種であり、引き離す、剥がされる、引掻かれる、砕かれる、擦られるなどによって物質中の化学結合が破壊された際に光が放出される現象を指す。この現象には未解明な部分が残されているが、電荷の分離、再結合によって発生すると考えられている。triboluminescenceはギリシア語のτρίβειν（摩擦すること トライボロジーを参照）とラテン語のlumen（光）が語源となっている。砂糖の結晶を砕いたり、粘着テープを剥がすことで摩擦発光を観察することができる。

英語では、triboluminescenceはよくfractoluminescenceの類義語として用いられる。（fractoluminescenceは結晶体が破壊された際の光の放射だけについて示したい場合に使われることがある。）ピエゾルミネセンス（英語版）の場合は変形した際に光が放たれるのに対し、破壊発光は破壊された際に光が放たれるという点で異なる。これらの発光は応力発光（英語版）の代表例である。（応力発光は固体に力学的作用が働いた際に起こる発光現象である。）

歴史

アンコンパーグル・ユト・インディアン

記録が残されているなかでは、中央コロラドを居留地としたアンコンパーグル・ユト（英語版）・インディアンが、最初に応力発光（英語版）によって石英の結晶を光源として用いたことのある民族の1つである[1][2]。バッファローの生皮にコロラドやユタの山から集めた透明な石英の結晶を詰めることで、特別な祭具を作り上げた。夜中の儀式中にその祭具を振ることによって、半透明のバッファローの生皮の包みを通して、石英の結晶にかかった摩擦応力と力学的な負荷によって発生した閃光が観察できる。

後の時代

イングランドの学者であるフランシス・ベーコンによる1620年の著作である『ノヴム・オルガヌム』にまで観測記録は遡ることができ、その中では次のように述べられている。「どのような砂糖でも固まっているかどうかに関係なく十分に硬ければ、暗闇の中で割ったり砕いたりすると光ることはよく知られている。」[3]科学者であるロバート・ボイルもまた1663年に摩擦発光の研究に関する報告を出している。1790年代後半には精製された砂糖が生産されるようになった。こうした砂糖は輸送、販売目的のために大きな棒砂糖として成形された。棒砂糖はシュガーニップス（英語版）という道具を使って使いやすい大きさに砕かなければならなかった。そして、暗い中で砂糖を「挟んで砕く」と小さな火花が見えることに気づく人が出始めた。

1675年にパリで発生した摩擦発光現象は歴史的に重要なものであった。天文学者であるジャン・ピカールは気圧計を運んでいる際に暗闇の中で気圧計が光っていることに気が付いた。その気圧計内のガラス管内には水銀が完全には中を満たさない程度に入っていた。ガラス管を水銀が滑り落ちるたびに上部の何もない空間が光った。この発光現象を研究している際に、研究者によって低気圧下では静電気によって空気が光る場合があることが発見された。この発見によって電灯の可能性が示された[4][5]。

反応原理

材料科学においては、この現象には未だ不明な点が残っているものの、結晶学、分光法、その他実験的証拠に基づいた現在の理論によると、異方的な媒質が破壊される際に電荷分離が発生する。そして電荷再結合が発生すると、周りの空気が放電によってイオン化され閃光が見られる。さらに研究によると、摩擦発光が見られる結晶は等方的ではなく (そのため異方性によって電荷分離が発生する)、 また導電性が低い必要がある、ということが示されている。しかしながら、ヘキサキス(アンチピリン)テルビウムヨウ化物のように、この法則からは外れて非異方性を持ちつつも摩擦発光が見られる物質が存在する[6]。原料に含まれている不純物がそうした物質に異方性をもたらしていると考えられている。

摩擦発光が生物現象として発生するには、力学的な衝撃を受けて遊離基が再結合（英語版）することが必要となる[7]。

実例

石英での摩擦発光

ダイヤモンドは摩擦されている間に光り始めることがある。ダイヤモンドカッティング（英語版）の最中にダイヤモンドの切子面を研磨していたりダイヤモンドを切断している際に、この現象が見られることがある。ダイヤモンドは青や赤の蛍光を放つことがある。摩擦発光の性質を持つ鉱物としてはほかにも石英などがあり、こすり合わせることで発光させられる[8]。

一般的な感圧接着テープ（英語版）（スコッチテープ）の場合は、巻いてあるテープからテープの端を引っ張って剥がすと線状に光って見える[9]。巻いてあるテープを真空中で剥がすとX線が発生することが、1953年にソビエトの科学者によって初めて観察された[10]。2008年にはX線が発生する原理についての研究がより進んだ[11][12][13]。また、金属でもこれに似たX線放射が観察されている[14]。

それ以外にも、砂糖の結晶を砕くことによって小さな電場が形成され、正の電荷と負の電荷に分かれてから再結合しようとする際にスパーク（英語版）が発生する。特にLife Savers Wint-O-Greenというキャンディは、蛍光物質である冬緑油（英語版）（サリチル酸メチル）が紫外線を青色光に変換するため、こうしたスパークを発生させやすい[15][16]。

また、摩擦発光は骨軟組織を覆う表皮に変形や摩擦帯電が発生した際や、食べ物の咀嚼時や脊椎関節がこすれた時、性行為中、また血液の循環中に生物現象としても観察される[17][18]。

破壊発光

破壊発光（英: Fractoluminescence）は結晶が（摩擦を受けるというより）破壊されることによって起こる発光であるが、しかしながら破壊は摩擦を受けて発生することが多い。英語では、fractoluminescenceはよくtriboluminescenceの類義語として用いられる[19]。結晶の原子構造および分子構造によっては、結晶が破壊される際に片側は正の電荷、反対側は負の電荷というように電荷分離が発生することがある。破壊発光においても摩擦発光と同じように、十分な電位が電荷分離によって生じた場合、界面に挟まれた気体を通って放電が発生することがある。どの程度の電位でこの現象が発生するかは、容器内の気体の誘電体特性による[20]。

破断発生時の電磁放射の伝播

金属や岩石の塑性変形および亀裂伝播中の電磁放射について研究がされてきた。合金からの電磁放射についても分析、検証が行われている。転位によってこうした電磁放射が発生する原理はMolotskiiによって示された[21]。また、金属コーティングされた合金とされていない合金において塑性変形や亀裂伝播が発生した際に別の副次的な電磁放射現象が見られたことがSrilakshmiとMisraによって報告されている[22]。

理論

何種類かの合金では微小な塑性変形や亀裂伝播に伴って電磁放射が発生すること、また強磁性を持つ金属ではネッキングの発生に伴って磁場が一時的に発生していることが、1973年から1975年にかけてMisraによって報告されており、幾人かの研究者によって検証、調査が行われている。1980年にはTudikとValuevが光電子増倍管を用いることによって、鉄、アルミニウムの引張破断に伴う電磁放射線を1014 Haの周波数の範囲内で測定することに成功している。また、金属コーティングされた合金とされていない合金において別の副次的な電磁放射現象が見られたことが、2005年にSrilakshmiとMisraによって報告されている。固体物質が塑性変形や破断を起こすような大きな振幅負荷を受けると、熱放射や放射音、イオン放射、エキソ電子放射などが発生する。電磁放射現象や亀裂形成現象、破断現象のための測定器具の改良や新たな物質の発見に伴って、電磁放射現象は重要性を増している。

X線の発生

適切な真空下でテープを剥がすことによって、人間の指のレントゲンを撮るのに十分なほどのX線が発生する[23]。

変形によって誘起される電磁放射

変形に関する研究が新たな素材の開発には必要である。金属の変形具合は温度、与えられる負荷の種類、ひずみ速度、酸化、腐食次第である。変形により誘起される電磁放射現象は、イオン結晶、岩石（特に花崗岩）、金属（特に合金）の3つに分けることができる。材質の特性は向きによって異なるため、電磁放射線が放出されるかは各結晶粒子の方位次第である[24]。クラックの成長は原子結合が破壊されることにより電磁放射を引き起こすため、クラックが成長するにつれて電磁放射線の振幅は大きくなる。またクラックの成長が止まると減衰し始める[25]。電磁放射線中には様々な周波数が含まれていることが実験による観察によって分かっている。

電磁放射線の計測における試験方法

材料の機械的性質を判断するのには引張試験が広く用いられている。引張試験の記録が完全であれば、弾性特性、塑性変形の性質や範囲、降伏強度、引張強度、靭性に関する重要な情報が得られる。1つの試験でこれだけの情報が得られることを考えれば、材料工学の研究で引張試験が広く用いられていることは自然である。そのため電磁放射に関する研究は主には標本に対する引張試験に基づいている。実験によれば、せん断によるクラックの形成よりも引張によるクラックの形成のほうが、大きな単軸荷重がかかる際の弾性、強度ならびに負荷割合が高いため、誘起される電磁放射が強くなる。ポアソン比は三軸圧縮試験中に電磁放射の特性を識別するための重要な指標になる[26]。ポアソン比が小さいほど横ひずみが起きにくい材質になり、そのため破断しやすくなる。動的条件下で部材を安全に取り扱うためには、塑性変形の原理はとても重要である。

利用・応用

このような電磁放射はセンサ材料、知的材料の開発に利用できる。また、この技術は粉末冶金技術に組み入れることもできる。電磁放射は大きな変形に伴って発生する放射の1種である。最小限の力学的な刺激である成分の電磁放射反応が一番強くなることが分かれば、主原料に合わせることによって知的材料の開発に新たな流れをつくることができる。変形によって誘起される電磁放射は破損の検知、予防のための強力な手段として用いることができる。

Orel V.E.によって実験室診断による電磁放射を利用した全血やリンパ球の測定装置が発明された[27][28][29]。

関連項目

参考文献

  1. ^ “BBC - Bang Goes the Theory - Hands-on science: Sugar Glow”. BBC. 2012年3月6日閲覧。
  2. ^ Dawson, Timothy (2010). “Changing colors: now you see them, now you don't”. Coloration Technology. doi:10.1111/j.1478-4408.2010.00247.x. 
  3. ^ Bacon, Francis (1620). "Novum Organum". New York: P. F. Collier (1902発行). p. 129. https://archive.org/details/cu31924029009920 2018年9月20日閲覧. "It is well known that all sugar, whether candied or plain, if it be hard, will sparkle when broken or scraped in the dark." 
  4. ^ en:Barometric lightを参照
  5. ^ J. J. O'Connor (2008年12月). “Jean Picard”. MacTutor History of Mathematics. Scotland: University of St Andrews. 2018年9月20日閲覧。
  6. ^ W. Clegg, G. Bourhill and I. Sage (April 2002). “Hexakis(antipyrine-O)terbium(III) triiodide at 160 K: confirmation of a centrosymmetric structure for a brilliantly triboluminescent complex”. Acta Crystallographica Section E 58 (4). http://scripts.iucr.org/cgi-bin/paper?S1600536802005093 2013年9月21日閲覧。. 
  7. ^ Orel, V.E.; Alekseyev, S.B.; Grinevich, Yu.A. (1992), “Mechanoluminescence: an assay for lymphocyte analysis in neoplasis”, Bioluminescence and chemiluminescence 7: 239–244, doi:10.1002/bio.1170070403, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bio.1170070403/abstract;jsessionid=23CFE9580A9A134C77F852C2C2786A5A.f02t03 
  8. ^ “Rockhounding Arkansas: Experiments with Quartz”. Rockhoundingar.com. 2012年10月9日閲覧。
  9. ^ Sanderson, Katharine (2008年10月22日). “Sticky tape generates X-rays”. Nature News (Springer Nature). doi:10.1038/news.2008.1185. http://www.nature.com/news/2008/081022/full/news.2008.1185.html 2008年12月18日閲覧。 
  10. ^ Karasev, V. V.; Krotova, N. A.; Deryagin, B. W. (1953). “Study of electronic emission during the stripping of a layer of high polymer from glass in a vacuum”. Doklady Akademii Nauk SSSR (Proceedings of the USSR Academy of Sciences) 88: 777–780. 
  11. ^ Camara, C. G.; Escobar, J. V.; Hird, J. R.; Putterman, S. J. (2008). “Correlation between nanosecond X-ray flashes and stick-slip friction in peeling tape”. Nature 455: 1089–1092. Bibcode: 2008Natur.455.1089C. doi:10.1038/nature07378. 
  12. ^ Chang, Kenneth (2008年10月28日). “Scotch Tape Unleashes X-Ray Power”. The New York Times (The New York Times Company). https://www.nytimes.com/2008/10/28/science/28xray.html 2009年1月19日閲覧。 
  13. ^ Katherine Bourzac (2008年10月23日). “X-Rays Made with Scotch Tape”. Technology Review. 2012年10月9日閲覧。
  14. ^ Neeraj Krishna, G. (2014). “X-Ray Emission during Rubbing of Metals”. Tribology in Industry 36: 229–235. https://www.researchgate.net/publication/288742235_X-Ray_Emission_during_Rubbing_of_Metals. 
  15. ^ Chang, Kenneth (2007年6月19日). “Sweet Spark May Hold Clue to How Things Break”. The New York Times (The New York Times Company). https://www.nytimes.com/2007/06/19/science/19winto.html 2018年9月20日閲覧。 
  16. ^ Wu, C. (1997年5月17日). “Impurities give crystals that special glow”. Science News (Science Service) 151 (20). オリジナルの1997年6月26日時点におけるアーカイブ。. https://web.archive.org/web/19970626080535/http://www.sciencenews.org/sn_arc97/5_17_97/fob2.htm 2009年9月8日閲覧。 
  17. ^ Orel, V.E. (1989), “Triboluminescence as a biological phenomenon and methods for its investigation”, Book: Proceedings of the First International School Biological Luminescence: 131–147, https://www.researchgate.net/publication/261550609_Triboluminescence_as_a_biological_phenomen_and_methods_for_its_investigation_Ksiaz_Castle_WroclawPoland 
  18. ^ Orel, V.E.; Alekseyev, S.B.; Grinevich, Yu.A. (1992), “Mechanoluminescence: an assay for lymphocyte analysis in neoplasis”, Bioluminescence and chemiluminescence 7: 239–244, doi:10.1002/bio.1170070403, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bio.1170070403/abstract;jsessionid=23CFE9580A9A134C77F852C2C2786A5A.f02t03 
  19. ^ “IUPAC Gold Book - triboluminescence”. Goldbook.iupac.org (2012年8月19日). 2012年10月9日閲覧。
  20. ^ 注: 暗くした部屋で、氷が急速な熱膨張で音を出して割れるような条件下で冷凍庫から氷を取り出すことで、この現象を再現できる。周囲を十分に暗くしておけば、氷にひびが入る際に白く瞬いているのを見ることができる。
  21. ^ Chauhan, V.S.1 (2008). “Effects of strain rate and elevated temperature on electromagnetic radiation emission during plastic deformation and crack propagation in ASTM B 265 grade 2 titanium sheets”. Journal of Materials Science 43: 5634–5643. Bibcode: 2008JMatS..43.5634C. doi:10.1007/s10853-008-2590-5. https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10853-008-2590-5#page-1. 
  22. ^ Srilakshmi, B.; Misra, A. (2005-09). “Secondary electromagnetic radiation during plastic deformation and crack propagation in uncoated and tin coated plain-carbon steel”. Journal of Materials Science 40 (23). doi:10.1007/s10853-005-1293-4. 
  23. ^ Camara, Carlos G.; Escobar, Juan V.; Hird, Jonathan R.; Putterman, Seth J. (2008), “Correlation between nanosecond X-ray flashes and stick–slip friction in peeling tape”, Nature 455: 1089–1092, Bibcode: 2008Natur.455.1089C, doi:10.1038/nature07378, https://www.nature.com/articles/nature07378 
  24. ^ KUMAR, Rajeev (2006), “Effect of processing parameters on the electromagnetic radiation emission during plastic deformation and crack propagation in copper-zinc alloys”, Journal of Zhejiang university science A 7 (1): 1800–1809, doi:10.1631/jzus.2006.a1800, https://link.springer.com/article/10.1631%2Fjzus.2006.A1800#page-1 
  25. ^ Frid, V. (2006), “Fracture induced electromagnetic radiation”, Journal of Applied Physics 36: 1620–1628, Bibcode: 2003JPhD...36.1620F, doi:10.1088/0022-3727/36/13/330, http://art-and-science.net/VFRIDFiles/frid_model.pdf 
  26. ^ Frid, V. (2000), “Electromagnetic radiation method water-infusion control in rockburst-prone strata”, Journal of Applied Geophysics 43 (1): 5–13, Bibcode: 2000JAG....43....5F, doi:10.1016/S0926-9851(99)00029-4, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926985199000294 
  27. ^ Orel, V.E.; Romanov, A.V.; Dzyatkovskaya, N.N.; Mel’nik, Yu.I. (2002), “The device and algorithm for estimation of the mechanoemission chaos in blood of patients with gastric cancer”, Medical Engineering Physics 24: 365-3671, doi:10.1016/S1350-4533(02)00022-X, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135045330200022X 
  28. ^ Valerii Emmanuilovich Orel (1982年12月15日). “Triboluminescent Method and Apparatus for Determination of Material . Patent France 2 536 172 15/12/1982”. ResearchGate. doi:10.13140/RG.2.1.4656.3689. 2015年8月16日閲覧。
  29. ^ Orel, V.E.; Kadiuk, I.N.; Mel`nik, Yu.I. (1994). “Physical and engineering principles in the study of mechanically-induced emission of blood”. Biomedical Engineering 28: 335–341. doi:10.1007/BF00559911. https://link.springer.com/article/10.1007%2FBF00559911. 

関連文献

外部リンク

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