Sonoluminescenza: la bolla che trasforma il suono in lampi di luce

Immaginate un bicchiere d'acqua immerso in un campo di ultrasuoni. Al centro, sospesa, una minuscola bolla d'aria. Spegnete le luci e, se le condizioni sono perfette, vedrete quella bolla emettere un puntino di luce bluastra, costante, simile a una stella in miniatura imprigionata nel liquido. È la sonoluminescenza: la conversione di energia sonora in luce, uno dei fenomeni più sconcertanti della fisica, perché trasforma vibrazioni acustiche relativamente fredde in lampi caldissimi e brevissimi.

Il fenomeno fu osservato per la prima volta nel 1934 all'Università di Colonia da Hermann Frenzel e Hubert Schultes, che notarono macchie luminose su una lastra fotografica immersa in un bagno a ultrasuoni. Per decenni rimase una curiosità di laboratorio, fino alla scoperta che ne avrebbe rivelato la stranezza.

Una stella in un barattolo

Nel 1989-1990 Felipe Gaitan e Lawrence Crum riuscirono a intrappolare una sola bolla in un'onda sonora stazionaria e a farla pulsare in modo stabile, lampeggiando a ogni ciclo. Era la sonoluminescenza a bolla singola (in inglese SBSL), e permise per la prima volta di studiare il fenomeno con precisione. La descrizione fu pubblicata sul Journal of the Acoustical Society of America nel 1992.

Il meccanismo è una forma estrema di cavitazione. L'onda sonora alterna fasi di rarefazione, in cui la bolla si espande, e fasi di compressione, in cui collassa violentemente su sé stessa. Il collasso è così rapido e simmetrico che il gas all'interno viene compresso in pochi milionesimi di secondo, riscaldandosi a temperature stimate tra 10.000 e 20.000 kelvin: più calde della superficie del Sole. In quel picco la bolla emette un lampo di luce della durata di appena un centinaio di picosecondi — miliardesimi di secondo — prima di rimbalzare ed espandersi di nuovo.

Perché è ancora un mistero

Il fascino della sonoluminescenza sta nel fatto che il suo meccanismo preciso resta in parte aperto. Le energie in gioco sono concentrate in un volume e in un tempo straordinariamente piccoli, rendendo difficile misurare cosa accada all'istante del collasso. L'ipotesi più accreditata, sostenuta dalle simulazioni raccolte nella grande rassegna di Brenner, Hilgenfeldt e Lohse su Reviews of Modern Physics (2002), è che la luce nasca dall'emissione termica di un piccolo plasma incandescente, prodotto dal gas ionizzato al massimo della compressione. Ma i dettagli — la forma esatta dello spettro, il ruolo dei gas nobili disciolti — sono tuttora oggetto di ricerca.

Uno dei fisici che più ha indagato il fenomeno è Seth Putterman dell'UCLA, che lo ha reso celebre con un articolo divulgativo su Scientific American intitolato proprio "Sound into Light". Putterman ha mostrato quanto sia delicato l'equilibrio: bastano una temperatura sbagliata dell'acqua o una concentrazione errata di gas per spegnere la stellina.

Il sogno (svanito) della fusione

Le temperature da stella accesero un'ambizione: se dentro la bolla fa così caldo, si potrebbe innescare la fusione nucleare? Nel 2002 il ricercatore Rusi Taleyarkhan annunciò di aver osservato segni di fusione in esperimenti di "sonofusione" con acetone deuterato. I risultati, però, non furono mai replicati in modo indipendente e un'indagine ne stabilì l'inattendibilità: la fusione acustica resta, oggi, fuori portata.

Un equilibrio delicatissimo

Ottenere la sonoluminescenza a bolla singola in laboratorio è notoriamente difficile, perché tutto deve essere regolato con precisione. L'acqua va parzialmente degassata, cioè privata di gran parte dell'aria disciolta, lasciandone solo una piccola quantità: troppa, e la bolla si frammenta; troppo poca, e non si forma affatto. La temperatura del liquido conta enormemente — l'acqua fredda, a pochi gradi sopra lo zero, produce lampi molto più intensi di quella calda — e anche il tipo di gas fa la differenza, con i gas nobili come l'argon che potenziano l'emissione luminosa. La frequenza degli ultrasuoni si aggira tipicamente intorno ai 20-40 kilohertz, al limite superiore dell'udibile.

Lo spettro della luce emessa è continuo e tende al bianco-azzurro, coerente con un'origine termica ad altissima temperatura. Una rassegna pubblicata sull'Annual Review of Fluid Mechanics da Putterman e Weninger ha messo in fila le molte domande ancora aperte: quanto sia caldo davvero il nucleo della bolla, se vi si formi un vero plasma, perché i lampi siano così brevi e sincronizzati. Il fenomeno non è soltanto una curiosità: la cavitazione che lo genera è alla base della sonochimica, il ramo della chimica che sfrutta gli ultrasuoni per accelerare le reazioni, ed è parente stretta dell'azione pulente dei bagni a ultrasuoni usati in gioielleria e in medicina.

Curiosamente, fenomeni analoghi si osservano anche in natura: il gambero pistola, schioccando la chela, genera una bolla di cavitazione che collassando produce un brevissimo lampo di luce, una sorta di sonoluminescenza biologica soprannominata "shrimpoluminescenza". È la prova che le condizioni estreme del collasso di una bolla non sono un artificio di laboratorio, ma qualcosa che la natura sa replicare da sola.

Questo non sminuisce la sonoluminescenza, che rimane un magnifico laboratorio di fisica estrema su un tavolo da cucina. Da un trasduttore piezoelettrico e un po' d'acqua nasce una concentrazione di energia di oltre dodici ordini di grandezza rispetto a quella sonora di partenza: il suono entra freddo e diffuso, e ne esce un punto di luce caldissimo. Pochi fenomeni mostrano in modo così visibile, e così domestico, fino a che punto la natura sappia concentrare l'energia.