Cosa hanno in comune Thor, Captain America e un crostaceo? Generano luce.

La natura spesso ci sorprende per la sua capacità di sorprendere. Molti animali possiedono capacità che non ci aspetteremo mai che possiedano. Uno di questi è lo ‘Stomatopoda’, un ordine di crostacei capace di replicare una scena degli ‘Avengers’.

Foto di una femmina di Odontodactylus Scyllarus

La dimensione di questi crostacei potrebbe ingannarvi a pensare che sia tanto carino quanto innocuo e indifeso. In inglese sono chiamati ‘Mantis shrimp‘, letteralmente’ gambero mantide’, e sono molto famosi per la loro aggressività e potenza distruttiva. Sono animali carnivori e uccidono le loro prede trafiggendole, paralizzandole e smembrandole. Che carino! Le loro chele possono generare in una frazione di tempo molto limitata una forza pari a quella necessaria per sollevare un peso di 150 kg. Accelerano in maniera così veloce che le prede non riescono neanche a difendersi e a reagire. Sono animali veramente curiosi. Ma più curioso è l’effetto che provoca una tale forza, accelerazione e velocità sott’acqua: la sonoluminescenza.

Sonoluminescenza e gli Avengers

C’è una scena particolare nel primo film degli ‘Avengers‘ che illustra il fenomeno della sonoluminescenza, che non è altro se non la generazione di luce (quindi -luminescenza) con vibrazioni e onde sonore (cioè sono-). La scena è quella in cui Thor sta combattendo con Captain America: il dio dei fulmini lancia un colpo con il suo martello Mjolnir verso Steve Rogers che si difende con il suo famoso scudo. L’impatto contro lo scudo è talmente potente da emettere un suono ad alta frequenza e una luce bluastra-violacea. Questi due fenomeni sono concatenati fra di loro ed è proprio la sonoluminescenza di cui si parlava prima. L’energia sonora si è trasformata in luce. Per capire l’origine del fenomeno, dobbiamo parlare prima delle proprietà fisiche dello scudo di Captain America: è fatto dal vibranio, un materiale fittizio dell’universo Marvel, che ha la proprietà di assorbire il 100% dell’energia vibratoria per poi rilasciarla di nuovo, tutto questo senza minimamente ferire chi tiene l’oggetto fatto di vibranio. Quando Thor colpisce lo scudo, quest’ultimo assorbe l’energia cinetica/vibratoria del colpo e lo rilascia un secondo dopo. Una tale forza è sufficiente per produrre un’onda sonora, e quindi una vibrazione, capace a generare un lampo di luce, che in questo caso specifico è tendente allo spettro degli ultravioletti.

luce prodotta dal colpo di Thor sullo scudo di Captain America

La scienza della sonoluminescenza

Il fenomeno è conosciuto fin dagli anni trenta del ventesimo secolo dove le prime osservazioni sono state rilevate nel 1933 quando venne osservato che una lastra fotografica veniva annebbiata dall’immersione in un liquido che era stato agitato dagli ultrasuoni. Un anno più tardi, nell’Università di Colonia, due scienziati riuscirono a riprodurre nell’acqua una luce debole ma visibile, utilizzando gli ultrasuoni. Abbandonarono però le loro ricerche, in quanto il fenomeno era stato ritenuto di scarso interesse. L’effettuazione di indagini e misure precise si è rivelato un compito molto difficile perché durano solo qualche nanosecondo: solo dal 1988 si è iniziato a studiarlo con ricerche mirate. Il fenomeno si produce con una piccola bolla di gas immersa in un fluido che, collassando rapidamente, emette della luce. Si parla in questo caso di Sonoluminescenza a bolla singola (SBSL), mentre si parla di Sonoluminescenza a bolle multiple (MBSL) se ad emettere luce sono più bolle. La bolla che si deve produrre non ha la stessa natura della bolla che creiamo quando soffiamo dell’aria sott’acqua. Le bolle che si formano e che provocano la sonoluminescenza sono spesso prodotte da un fenomeno chiamato cavitazione. E queste bolle sono calde. Estremamente calde. Infatti raggiungono una temperatura pari a quella della superficie solare (circa 6000 °C). Le bolle prodotte tramite cavitazione si differenziano dalle bolle normali perché quest’ultime sono sostanzialmente gas che si dirige sulla superficie dell’acqua, mentre le prime sono bolle che derivano da uno ‘strappo’ nell’acqua ossia una regione di pressione estremamente bassa rispetto alla pressione idrostatica esterna. Alcune molecole evaporano velocemente nella bolla e siccome esiste un’immensa differenza di pressione, queste bolle collassano, anche molto rapidamente e di conseguenza si ha una rapidissima crescita di pressione interna. Ci sono almeno 12 teorie che cercano di spiegare come si produce la sonoluminescenza ma non è stata ancora trovata quella più soddisfacente. Una possibile spiegazione è che la rapida crescita di pressione interna fa innalzare la temperatura della bolla fino a 6000°C, rilasciando molto calore, quindi energia sotto forma di luce.

Schema della sonoluminescenza

Oltre a questa spiegazione, ce ne sono altre basate su: la formazione di getti (jet), la solidificazione ad alte pressioni, l’emissione indotta da collisione, la scintillazione dei gas, la radiazione di vuoto quantistica, l’emissione da atomi compressi. I crostacei di cui parlavamo prima usa proprio questo principio per produrre la sonoluminescenza: il movimento delle chele è talmente veloce che produce una bolla tramite cavitazione e la bolla, collassando, emette luce. Altri crostacei come il ‘Pistol shrimp‘, cioè ‘gambero pistola’, producono lo stesso effetto tramite getti di acqua proveniente dalle loro chele .C’è ancora molto lavoro da fare per comprendere a pieno questo fenomeno tanto semplice all’apparenza, ma l’unica cosa di cui possiamo essere certi è quello di non far arrabbiare un crostaceo.

Il Pistol shrimp

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