В химии изучение сонохимии связано с пониманием влияния ультразвука на формирование акустической кавитации в жидкостях, что приводит к инициированию или усилению химической активности в растворе. [1] Таким образом, химическое воздействие ультразвука не является результатом прямого взаимодействия ультразвуковой волны с молекулами в растворе.
Влияние звуковых волн, распространяющихся через жидкости, впервые было описано Робертом Уильямсом Вудом (1868–1955) и Альфредом Ли Лумисом (1887–1975) в 1927 году. Эксперимент был посвящен частоте энергии, которая требуется звуковым волнам, чтобы «проникнуть» через барьер воды. Он пришел к выводу, что звук действительно распространяется быстрее в воде, но из-за плотности воды по сравнению с атмосферой Земли было невероятно трудно заставить звуковые волны соединить свою энергию с водой. Из-за внезапного изменения плотности большая часть энергии теряется, подобно тому, как если бы фонарик направлялся на кусок стекла; часть света передается в стекло, но большая его часть теряется из-за отражения наружу. Аналогично с интерфейсом воздух-вода, почти весь звук отражается от воды, вместо того чтобы передаваться в нее. После долгих исследований они решили, что лучший способ рассеивать звук в воде — это создавать пузырьки одновременно со звуком. Другой проблемой было соотношение времени, которое требовалось волнам с более низкой частотой для проникновения через стенки пузырьков и доступа к воде вокруг пузырька, по сравнению со временем от этой точки до точки на другом конце водоема. Но, несмотря на революционные идеи этой статьи, это осталось в основном незамеченным. [2] Сонохимия пережила ренессанс в 1980-х годах с появлением недорогих и надежных генераторов ультразвука высокой интенсивности, большинство из которых были основаны на пьезоэлектрических элементах. [3]
Звуковые волны, распространяющиеся через жидкость на ультразвуковых частотах, имеют длины волн, во много раз превышающие размеры молекулы или длину связи между атомами в молекуле. Поэтому звуковая волна не может напрямую влиять на энергию колебаний связи и, следовательно, не может напрямую увеличивать внутреннюю энергию молекулы. [4] [5] Вместо этого сонохимия возникает из акустической кавитации : образования, роста и имплозивного коллапса пузырьков в жидкости. [3] Коллапс этих пузырьков является почти адиабатическим процессом, тем самым приводя к массивному накоплению энергии внутри пузырька, что приводит к чрезвычайно высоким температурам и давлениям в микроскопической области обработанной ультразвуком жидкости . Высокие температуры и давления приводят к химическому возбуждению любого вещества внутри или очень близко к пузырьку, поскольку он быстро схлопывается. Акустическая кавитация может приводить к самым разным результатам , включая сонолюминесценцию , повышенную химическую активность в растворе из-за образования первичных и вторичных радикальных реакций, а также повышенную химическую активность за счет образования новых, относительно стабильных химических соединений, которые могут далее диффундировать в раствор, создавая химические эффекты (например, образование перекиси водорода из комбинации двух гидроксильных радикалов после диссоциации водяного пара в схлопывающихся пузырьках при воздействии ультразвука на воду).
При облучении звуком высокой интенсивности или ультразвуком обычно происходит акустическая кавитация. Кавитация — образование, рост и взрывное схлопывание пузырьков, облученных звуком, — является толчком для сонохимии и сонолюминесценции . [6] Схлопывание пузырьков в жидкостях производит огромное количество энергии за счет преобразования кинетической энергии движения жидкости в нагревание содержимого пузырька. Сжатие пузырьков во время кавитации происходит быстрее, чем тепловой перенос, который создает кратковременную локализованную горячую точку. Экспериментальные результаты показали, что эти пузырьки имеют температуру около 5000 К, давление около 1000 атм и скорость нагрева и охлаждения выше 10 10 К/с. [7] [8] Эти кавитации могут создавать экстремальные физические и химические условия в других холодных жидкостях.
С жидкостями, содержащими твердые частицы, подобные явления могут происходить при воздействии ультразвука. Как только кавитация происходит вблизи протяженной твердой поверхности, схлопывание полости становится несферическим и приводит к высокоскоростным струям жидкости к поверхности. [6] Эти струи и связанные с ними ударные волны могут повредить теперь сильно нагретую поверхность. Суспензии жидкости и порошка вызывают высокоскоростные столкновения между частицами. Эти столкновения могут изменить морфологию поверхности , ее состав и реакционную способность. [9]
Существует три класса сонохимических реакций: гомогенная сонохимия жидкостей, гетерогенная сонохимия систем жидкость-жидкость или твердое тело-жидкость и, перекрываясь с вышеупомянутым, сонокатализ (катализ или увеличение скорости химической реакции с помощью ультразвука). [10] [11] [12] Сонолюминесценция является следствием тех же явлений кавитации, которые ответственны за гомогенную сонохимию. [13] [14] [5] Химическое усиление реакций с помощью ультразвука было исследовано и имеет полезные применения в синтезе смешанных фаз, химии материалов и биомедицинских применениях. Поскольку кавитация может происходить только в жидкостях, химические реакции не наблюдаются при ультразвуковом облучении твердых тел или систем твердое тело-газ.
Например, в химической кинетике было замечено, что ультразвук может значительно усилить химическую реактивность в ряде систем вплоть до миллиона раз; [15] эффективно действуя для активации гетерогенных катализаторов. Кроме того, в реакциях на границах раздела жидкость-твердое тело ультразвук разбивает твердые частицы и обнажает активные чистые поверхности посредством микроструйной ямки от кавитации вблизи поверхностей и от фрагментации твердых тел кавитационным коллапсом поблизости. Это дает твердому реагенту большую площадь поверхности активных поверхностей для протекания реакции, увеличивая наблюдаемую скорость реакции., [16] [17]
Хотя применение ультразвука часто приводит к образованию смесей продуктов, в статье, опубликованной в 2007 году в журнале Nature, описывается использование ультразвука для избирательного воздействия на определенную реакцию раскрытия циклобутанового кольца. [18] Атул Кумар сообщил о многокомпонентной реакции синтеза эфира Ганча в водных мицеллах с использованием ультразвука. [19]
Некоторые загрязнители воды, особенно хлорированные органические соединения, можно разрушить сонохимически. [20]
Сонохимию можно проводить с помощью ванны (обычно используемой для ультразвуковой очистки ) или с помощью мощного зонда, называемого ультразвуковым рупором , который направляет и передает энергию пьезоэлектрического элемента в воду, концентрируя ее в одной (обычно небольшой) точке.
Сонохимия также может использоваться для сварки металлов, которые обычно невозможно соединить, или для формирования новых сплавов на металлической поверхности. Это отдаленно связано с методом калибровки ультразвуковых очистителей с использованием листа алюминиевой фольги и подсчета отверстий. Образованные отверстия являются результатом микроструйной питтинговой коррозии, возникающей в результате кавитации вблизи поверхности, как упоминалось ранее. Из-за тонкости и слабости алюминиевой фольги кавитация быстро приводит к фрагментации и разрушению фольги.
Новое поколение сонохимии использует преимущества функциональных сегнетоэлектрических материалов для дальнейшего улучшения химии в сонохимическом реакторе в новом процессе, называемом пьезокатализом. [21] [22]