库仑爆炸是从强电磁场耦合电子激发能到原子运动的一种现象。有着相同电荷的粒子的库仑斥力可以断裂维持固体的键（力）。当窄激光束照射上去时，小量的金属爆炸为被电离的原子微粒等离子体。与热的烧蚀不同，库仑爆炸是“冷”的——在热量传导到足够远时，爆炸已完成了。

中文名

库仑爆炸

所在领域

工程技术

定义

电子激发能到原子运动的现象

所属学科

材料科学

自组装模型

实验发现，纳米结构的形成只决定与入射激光的强度，即与单个脉冲的能量和脉冲数的多少有关，而与入射激光的波长以及入射角度无关，由此我们断定纳米结构的形成可能不是在超短超强激光对基底的烧蚀过程中形成的，极有可能是在强激光诱导带电粒子从材料出射后基底的自组装过程中产生的。为此有人提出了类似库伦爆炸模型的——库伦爆炸自组装模型。

当超短超强的激光脉冲照射到材料表面时，由于电子的运动相比于晶格的振动要容易得多，因此在材料的吸收深度内可以假定入射激光的能量完全被电子吸收。实验发现强激光可以在240fs内将电子温度加热到最高，电子速度可高达106m/s，而此时晶格的温度几乎没有明显变化。由于电子的速度很高，基底材料原子的K层或L层会失去一个电子，其余电子填充这个空穴时可发射出光子，也可使外层电子电离而形成新的空穴，后一过程可不断进行，使空穴数一步步倍增，称为空穴串级。子体原子上聚集的正电荷通过分子内部电荷再分布，使分子内部正电荷间产生强大的库仑排斥力，导致分子爆炸又称库伦爆炸。库伦爆炸会导致材料表面处于一种极不稳定的状态，同时再分布的电荷产生的电场也会进一步决定带电粒子的运动状态。在之后的大约100fs内，在材料表面逐渐趋于稳定的过程中，原子间形成新的键，从而产生上述的纳米结构。

现象举例

高速摄像机拍下了碱金属在水中爆炸的过程，它被认为是库仑爆炸。过去人们认为碱金属与水发生爆炸反应是因为反应放热并点燃反应产物氢气，但最近的发现证明了这种理论并不正确。

德国和捷克的科学家们借助高速摄像机技术，拍摄到亚毫秒内钠/钾和水相遇的影像。科学家们意外发现钠/钾合金液滴变形成海胆状，细长的尖峰伸入水中，快速增加的接触面积使得反应开始失控。模拟分子动力学表明，该金属表面一旦接触水几乎立即释放电子。大量电子释放使该系统快速达到“瑞利不稳定极限”，并导致碱金属液滴的“库仑爆炸”。这也可以解释了为什么该反应不能自淬，并可导致爆炸。这一发现发表在《Nature Chemistry》上。

应用

库仑爆炸的蚀刻可以被用于任何材料来钻孔、去除表面层和表面结构化、表面微构化，如在打印过程中控制墨水的加载。