摩擦発光

摩擦発光は、物質が機械的に引き裂かれたり、引っかかれたり、押しつぶされたり、擦れたりすると光が生成される現象です(トライボロジーを参照)。この現象は完全には解明されていませんが、ほとんどの場合、静電荷の分離と再結合によって引き起こされるようです (摩擦電気効果も参照)。この用語は、ギリシャ語のτρίβειν (「こする」、トライボロジーを参照) とラテン語の lumen (光)に由来しています。摩擦発光は、砂糖の結晶を砕いたり、粘着テープを剥がしたりするときに観察できます。

摩擦発光は、フラクトルミネセンス（主に破砕された結晶から放出される光のみを指すときに使用される用語）の同義語であることが多い。摩擦発光は、圧電発光材料が破壊されたときではなく変形したときに光を発するという点で圧電発光と異なる。これらは、固体に対する機械的作用から生じる発光である機械発光の例である。

コロラド州中部のアンコンパグレ・ユテ族は、石英結晶を使って光を発生させる機械発光を応用したとされる、世界で最初に記録に残る民族集団の一つです。 ^{[1] [2]} ユテ族は、コロラド州とユタ州の山岳地帯で集めた透明な石英結晶を詰めたバッファローの生皮で作った独特の儀式用のガラガラを作りました。儀式の最中に夜間にガラガラを振ると、衝突する石英結晶の摩擦と機械的ストレスにより、半透明のバッファローの皮を通して見える閃光が生まれました。

記録に残る最初の観察は、1620年に英国の学者フランシス・ベーコンが著書『ノヴム・オルガヌム』の中で「砂糖漬けであろうと普通の砂糖であろうと、硬い砂糖は暗闇で割ったり削ったりするとキラキラ光ることはよく知られている」と記したものとされている。^[3]科学者ロバート・ボイルも1663年に摩擦発光に関する研究の一部を報告している。^[4] 1675年、天文学者ジャン＝フェリックス・ピカールは、気圧計を持ち運ぶと暗闇で光るのを観察した。彼の気圧計は、部分的に水銀が入ったガラス管で構成されていた。水銀がガラス管を滑り落ちるたびに、水銀の上の空間が光った。^[5]

1790 年代後半、砂糖生産ではより精製された砂糖結晶が生産されるようになった。これらの結晶は輸送と販売のために大きな固形の円錐形に成形された。この固形の砂糖円錐形は、砂糖切り器を使用して使用可能な塊に砕かなければならなかった。人々は、暗い場所で砂糖が「切り取られる」ときに小さな光のバーストが見えることに気づき始めた。これは摩擦発光の確立された例である。^[6]

この効果については不明瞭な点がいくつか残っています。結晶学、分光学、その他の実験的証拠に基づく現在の摩擦発光の理論は、非対称な材料が破壊されると電荷が分離するというものです。電荷が再結合すると、放電によって周囲の空気がイオン化され、閃光が発生します。さらに研究では、摩擦発光を示す結晶は対称性に欠け、導電性が低いことが多いことが示唆されています。^[7] ただし、この規則に違反し、非対称性を持たないにもかかわらず摩擦発光を示す物質があります。たとえば、ヘキサキス(アンチピリン)テルビウム ヨウ化物です。^[8] これらの材料には不純物が含まれており、これが物質を局所的に非対称にしていると考えられています。関連する可能性のあるプロセスの詳細については、摩擦電気効果のページを参照してください。

摩擦発光という生物学的現象は、機械的活性化中のフリーラジカルの再結合によって制御されると考えられている。^[9]

特定の家庭用材料や物質には、次のような特性があると考えられます。

• 通常の感圧テープ（「スコッチテープ」）は、テープの端がロールから引き離される部分に光る線を表示します。^[10]ソビエトの科学者は1953年に、真空中でテープのロールを剥がすとX線が発生することを観察しました。^[11] X線発生のメカニズムは2008年にさらに研究されました。^{[12] [13] [14]}同様のX線放出は金属でも観測されています。^[15]
• ポリマー接着剤で密封された封筒を開けると、暗闇の中で青い閃光として見える光が発生することがある。^[16]
• 砂糖の結晶を砕くと、小さな電界が発生し、正電荷と負電荷が分離して、再結合しようとする際に火花が発生します。ウィント・オー・グリーン・ライフセーバーは、ウィンターグリーンオイル（メチルサリチル酸）が蛍光性で紫外線を青色光に変換するため、このような火花を発生させるのに特に効果的です。[ ^{17] [18]}

ダイヤモンドは擦れている間に輝き始めることがあります。これはダイヤモンドのファセットが研磨されているときや、ダイヤモンドが切断工程で切断されているときに時々起こります。ダイヤモンドは青や赤の蛍光を発することがあります。石英などの他の鉱物は摩擦発光性があり、擦れ合うと光を発します。^[19]

生物学的現象としての摩擦発光は、骨や軟組織の表皮表面の機械的変形や接触帯電、食物の咀嚼時、椎骨の関節の摩擦時、性交時、血液循環時に観察される。^{[20] [21]}

ウォータージェットによるセラミック（タイルなど）の研磨切断では、非常に高速な流れの衝突点に黄色/オレンジ色の輝きが生じます。

• ユーロピウムテトラキス（ジベンゾイルメチド）トリエチルアンモニウムは、結晶が破壊されると特に明るい赤色の閃光を発する。^{[22] [23]}
• トリフェニルホスフィンビス（ピリジン）チオシアナト銅（I）は、結晶が破壊されるとかなり強い青色光を発します。この発光は赤色発光ほど極端ではありませんが、標準的な設定では肉眼で非常にはっきりと見ることができます。^{[24] [25]}
• N-アセチルアントラニル酸は結晶が破壊されると濃い青色の光を発する。^[26]

フラクトルミネッセンスは、摩擦発光の同義語としてよく使用されます。^{[27]フラクトルミネッセンスは、}結晶の摩擦ではなく破壊 から発光する現象ですが、摩擦によって破壊が起こることがよくあります。結晶の原子および分子の構成によっては、結晶が破壊されると電荷分離が発生し、破壊された結晶の片側が正に帯電し、もう片側が負に帯電することがあります。摩擦発光の場合と同様に、電荷分離によって十分に大きな電位が生じると、界面間のギャップと浴ガスを介した放電が発生する可能性があります。これが発生する電位は、浴ガスの誘電特性によって異なります。 ^[28]

金属や岩石の塑性変形や亀裂伝播中に発生する電磁放射（EMR）の研究が進められている。金属や合金からのEMR放射も研究され、確認されている。モロツキーは、このタイプのEMR放射の転位メカニズムを提示した。^[29] 2005年に、スリラクシュミとミスラは、コーティングされていない金属や合金、金属でコーティングされた金属や合金の塑性変形や亀裂伝播中に発生する二次EMRという追加現象を報告した。^[30]

ミスラ（1973–75）は、いくつかの金属や合金の微小塑性変形や亀裂伝播中の電磁気放射、および強磁性金属のネッキング中の過渡磁場生成を報告し、多くの研究者によって確認および調査してきました。^{[31] TudikとValuev（1980）は、}光電子増倍管を使用して、鉄とアルミニウムの引張破壊中の電磁気周波数を100 THz領域で測定することができました。SrilakshmiとMisra（2005a）は、コーティングされていない金属と合金、および金属でコーティングされた金属と合金における二次電磁放射という追加の現象も報告しました。固体材料が塑性変形や破壊を引き起こす可能性のある大きな振幅の応力を受けると、熱、音響、イオン、および外部放出などの放出が発生します。

変形の研究は、新素材の開発に不可欠です。金属の変形は、温度、加えられる応力の種類、ひずみ速度、酸化、腐食に依存します。変形によって生じる EMR は、イオン結晶材料への影響、岩石と花崗岩への影響、金属と合金への影響の 3 つのカテゴリに分けられます。EMR の放出は、方向によって材料特性が異なるため、個々の結晶の粒子の方向に依存します。^[32]亀裂が成長して新しい原子結合が破壊され、EMR が発生する限り、EMR パルスの振幅が増加します。亀裂が止まると、パルスは減衰し始めます。^[33]実験からの観察では、放出された EMR 信号に混合周波数成分が含まれていることが示されました。

最も広く使用されている引張試験法は、材料の機械的特性を特徴付けるために使用されます。完全な引張試験記録から、材料の弾性特性、塑性変形の特性と範囲、降伏点、引張強度と靭性に関する重要な情報を得ることができます。1 回の試験から得られる情報は、工学材料研究における引張試験の広範な使用を正当化します。したがって、EMR 放出の調査は主に試験片の引張試験に基づいています。実験から、引張亀裂形成はせん断亀裂よりも強力な EMR を励起し、一軸荷重中の弾性、強度、および荷重速度が増加すると振幅が増加することがわかります。ポアソン比は、三軸圧縮中の EMR 特性評価の重要なパラメーターです。^[34]ポアソン比が低い場合、材料が横方向に歪みにくくなり、新しい破損の可能性が高くなります。

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• 摩擦電気効果

• マルティン・ギル、ヘスス。マルティン・ギル、フランシスコ・J. (1978)。 「新しいウラニル塩の摩擦発光」。化学教育ジャーナル。55 (5): 340。書誌コード:1978JChEd..55..340G。土井：10.1021/ed055p340。
• Matousek, et al. (2023). 「摩擦発光と常磁性の探究：高校および学部生の化学実験室向けの迅速なMn錯体合成」。化学教育ジャーナル。100 (8): 3061–3069。doi : 10.1021/ acs.jchemed.3c00372。S2CID  260181412 。
• Sweeting, Lind M. (1998 年 9 月)。「ウィンターグリーン キャンディとその他の摩擦発光物質」。化学学部。自宅でできる科学実験。タウソン大学。
• Walton, AJ (1977). 「摩擦ルミネセンス」.物理学の進歩. 26 (6): 887–948. doi :10.1080/00018737700101483.
• Xie, Y.; Li, Z. (2018). 「摩擦発光：興味の喚起と新たな側面」(PDF) . Chem . 4 (5): 943–971. doi :10.1016/j.chempr.2018.01.001.

ウィキメディア・コモンズには、摩擦発光に関連するメディアがあります。

• 「光る砂糖の背後にある確かな科学」Physics World . 2006年。
• 「ナノ秒X線フラッシュと剥離テープのスティックスリップ摩擦の相関関係」。Nature . 455 (7216): 1089–1092. 2008年10月23日。Bibcode : 2008Natur.455.1089C . doi :10.1038/nature07378. S2CID  4372536。{{cite journal}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)
• トライボネットにおける摩擦発光に関する議論
• YouTubeでダクトテープを光らせる(2010)
• バンドエイドは開くと光る?! - YouTube の日常ミステリー (2018)