De Twentse hoogleraar warmte- en stromingsleer Detlef Lohse (35) is platgebeld de afgelopen weken. Zeker twintig journalisten uit onder meer Zwitserland, Duitsland, Polen en Nederland wilden meer weten over zijn doorbraak in het sonoluminescentie-onderzoek. Een bewijs van alertheid, want Lohses ingezonden stuk stond niet eens op de cover van Nature (2 april).
In die letter to Nature verklaart de Twentse professor hoe het komt dat luchtbellen in water, als je ze bombardeert met bepaalde geluidstrillingen, blauw licht uitzenden - een natuurkundig verschijnsel dat wetenschappers en geïnteresseerde amateurs al jaren bezighoudt. Tot dusver waren de lichtflitsen een compleet raadsel.
De meest uiteenlopende oplossingen deden de ronde: het licht zou een gevolg zijn van koude kernfusie, van extreme verhitting, van quantumfluctuaties. Hier en daar zinspeelde men zelfs op een geheel nieuwe fysica.
Die hoop blijkt nu dus ijdel. Lohse en zijn collega's Sascha Hilgenfeldt en Siegfried Grossmann (respectievelijk Harvard University en Universität Marburg) ontraadselen het blauwe licht met conventionele, relatief simpele natuurkunde.
De proefopstelling voor sonoluminescentie is meer dan eenvoudig. Ze bestaat uit een glazen kolf gevuld met water, waarop als geluidsbron trilelementjes zijn gemonteerd. Die sturen trillingen met een onhoorbare frequentie van twintig kilohertz (maar wel met honderd decibel - de sterkte van geluid van een straaljager) door het water heen. Door roeren ontstaat één bel, die door de kracht van de geluidstrillingen naar het midden van de kolf wordt gedreven. Direct na het aanzetten van de trilelementen zal een blauw lichtpuntje te zien zijn.
Lohse en de zijnen verklaren het effect als volgt: de geluidstrillingen zorgen voor verdikkingen en verdunningen in het water, waardoor de luchtbel beurtelings krimpt en groeit. De bubbel is op zijn kleinst één micrometer in doorsnee (een micrometer is een miljoenste meter), en zwelt tot een maximum van honderdvijftig micrometer, de dikte van een mensenhaar.
Bij het instorten van de luchtbel, de zogenoemde 'adiabatische' compressie, loopt de temperatuur op tot maar liefst twintig- tot dertigduizend graden. De hitte ontstaat door de snelle volumeverkleining, waardoor geen warmte wordt uitgewisseld met de omgeving, in dit geval het water. Iets vergelijkbaars gebeurt in de zuiger van een fietspomp.
Bij dergelijke hoge temperaturen splitsen de moleculen van gassen zoals stikstof (N2) en zuurstof (O2) zich in tweeën, en de reactieproducten lossen op in het water. Het edelgas argon, waarvan in lucht 1 procent aanwezig is, blijft over.
De temperatuur in de bel is ver genoeg opgelopen om een plasma van ionen, neutrale atomen en elektronen te creëren. Argon-ionen staan onder die omstandigheden elektronen af. Lohse en de zijn groep hebben als eersten de energiehuishouding van het proces in de bubbel doorgerekend, en constateerden dat bij het recombineren van elektronen en argonatomen fotonen (energiepakketjes) vrijkomen. Die fotonen zijn het blauwe licht dat we waarnemen.
Na vijftig microseconde begint het proces van groei, in elkaar klappen en fotonenemissie van voren af aan, resulterend in een lichtpuls per akoestische cirkel. Zo'n flits duurt maar zestig tot driehonderd picoseconde (een picoseconde is een miljardste seconde). Te kort om met het blote oog waar te nemen, maar omdat de blauwe puls om de vijftig microseconde terugkeert, lijkt het voor een mens een constante lichtbundel.
Het mysterie is opgelost, en dat stemt Lohse voorlopig tevreden. De vorig jaar benoemde hoogleraar stuitte in 1994 bij toeval op het sonoluminescentie-probleem. Lohse: 'Ik zat voor een post-doc in Chicago en las in het weekblad Die Zeit een stukje over het verschijnsel. Het was nieuw voor me, en diezelfde week sprak ik erover met een collega. Toen we elkaar twee maanden later opnieuw ontmoeten, bleken we allebei met het probleem in de weer. We waren gegrepen.'
Anders dan de heren Frenzel en Schultes, die in 1934 de oplichtende bellen voor het eerst waarnamen in een Keuls laboratorium. De twee hadden te maken met wat Lohse nu multibubble-sonoluminescentie noemt: ze zagen een heleboel lichtgevende belletjes tegelijk, die na instorting in het niets verdwenen. Frenzel en Schultes waren niet onder de indruk. Ze maakten weliswaar melding van de bubbels, maar eindigden hun artikel met de opmerking: there are more important things to look at.
Daarmee leek het pleit voor de bellen beslecht. Geen van de grote natuurkundigen uit die tijd keek naar het verschijnsel om, volgens Lohse omdat Frenzel en Schultes niet aan de weg hebben getimmerd. Pas vijfenvijftig jaar later, in 1989, pikte de Amerikaanse onderzoeker Felipe Gaitan de draad op. Hij slaagde erin om in plaats van een hele serie bubbels tegelijk één stabiele bel te produceren. Daardoor werd experimenteren mogelijk, en kwam de verklaring voor het mysterie voor het eerst in zicht.
De oplossing liet evenwel nog tien jaar op zich wachten. Volgens Lohse omdat bij verschijnsel zoveel verschillende factoren op elkaar ingrijpen. 'Bij sonoluminescentie spelen stromingsleer, akoestiek, chemie, toegepaste wiskunde, atomaire en plasmafysica allemaal een doorslaggevende rol. Het was met andere woorden een enorme puzzel. Maar we hebben hem met plezier opgelost.'
De luminescerende bellen zijn verklaard, maar is de kous daarmee af? 'Nee', zegt de professor. 'Nu we begrijpen wat er gebeurt, is meer onderzoek mogelijk. Belletjes in een vloeistof kun je namelijk zien als kleine micro-reactors voor hoge-temperatuurfysica. Daarin kunnen we op kleine schaal waarnemen wat er met atomen gebeurt bij zeer grote warmte.'
Ook is Lohse benieuwd of het verschijnsel ook optreedt bij lagere frequenties. Het zal niet meevallen om daar achter te komen: sonoluminescentie luistert erg nauw, de parameters moeten exact kloppen. Hij wil de frequentie verlagen tot vijf kilohertz. 'Als we vier keer zo laag gaan zitten, kun je meer licht verwachten. Want bij lagere frequentie krijgt de bubbel - volgens onze berekeningen - meer tijd om zich te vergroten, waardoor een hardere klap volgt. Het gas lanceert dan waarschijnlijk honderd tot duizend keer zoveel fotonen. Een fellere flits dus.'
