Исследователи из Университета Большого Токио в Осаке разгадали давнюю загадку в области сонохимии: почему химические реакции замедляются, когда ультразвуковая мощность становится слишком высокой?
Их выводы, опубликованные в Ultrasonics Sonochemistry, позволяют более эффективно использовать ультразвук в науке и промышленности, например, для очистки окружающей среды или создания полезных наночастиц.
Хотя ультразвук неслышен человеческому уху, он играет важную роль в сонохимии. Когда ультразвуковые волны воздействуют на жидкость, они генерируют микроскопические пузырьки, которые быстро расширяются и схлопываются — этот процесс называется акустической кавитацией. Схлопывание создаёт всплески энергии, которые на мгновение достигают температур, сравнимых с поверхностью Солнца, запуская химические реакции.
«Обычно увеличение ультразвуковой мощности ускоряет реакцию», — сказал Такуя Ямамото, доцент Высшей школы инженерии Университета Большого Токио в Осаке и ведущий автор этого исследования. «Но как только мощность превышает определённый уровень, скорость реакции резко падает. Этот парадокс озадачивал исследователей в течение многих лет».
Это противоречивое явление также является одной из ключевых проблем при разработке практических промышленных применений ультразвука.
Чтобы раскрыть механизм, лежащий в основе этого «ультразвукового обращения», команда провела шесть типов экспериментов, включая визуализацию пузырьков, наблюдения за сонохемилюминесценцией и измерения звукового давления, а также три типа численного моделирования, моделирующего поведение пузырьков и внутренние температуры.
Их выводы показали, что, когда ультразвуковая мощность становится слишком высокой, интенсивное движение пузырьков искажает ультразвуковые волны. Это искажение подавляет рост пузырьков и резко сокращает количество активных пузырьков, способных запускать химические реакции, — в конечном итоге это замедляет общую скорость реакции.
Исследователи также определили три различные области ультразвуковых реакций, каждая из которых характеризуется разными волновыми паттернами и динамикой пузырьков. Эти данные помогают объяснить, как скорость химических реакций, рост пузырьков, акустическое течение и дегазация изменяются в зависимости от интенсивности ультразвука.
«Наше исследование помогает демистифицировать сложное явление, во время которого звуковые волны, движение жидкости и физика пузырьков взаимодействуют», — сказал Ямамото.
Понимание этого баланса является ключом к тому, чтобы сделать сонохимию более предсказуемой и масштабируемой для использования в реальных условиях.
«Мы надеемся, что этот результат откроет двери для более широкого промышленного применения ультразвуковых технологий: от синтеза наночастиц до разрушения стойких загрязнителей, таких как PFAS, так называемые „вечные химикаты“», — сказал Ямамото.
Источник: [Университет Большого Токио в Осаке](https://www.omu.ac.jp/en/)