Ультразвук, невидимый и неслышимый человеческому уху, давно используется в химии для запуска реакций. Волны воздействуют на жидкость, вызывая образование микроскопических пузырьков. Эти пузырьки быстро сжимаются и «взрываются», высвобождая огромное количество энергии, иногда сравнимой с температурой поверхности Солнца. Именно в этот момент и происходят химические реакции.
Однако одна загадка оставалась неразрешенной десятилетиями: почему при увеличении мощности ультразвука химические реакции сначала ускоряются, а затем внезапно замедляются? На этот вопрос ответили ученые из университета Осаки (Япония).
Исследование, опубликованное в журнале Ultrasonics Sonochemistry, впервые объясняет физику этого парадокса. Команда провела шесть видов экспериментов, включая визуализацию пузырьков, наблюдение сонохемилюминесценции и измерение звукового давления. Были использованы численные модели, чтобы воссоздать поведение пузырьков и их внутренние температуры.
Результаты показали: при слишком высокой мощности пузырьки двигаются настолько хаотично, что начинают искажать сами ультразвуковые волны. В результате замедляется рост пузырьков, а количество активных «реакционноспособных» пузырей резко сокращается — и это приводит к снижению скорости химических процессов.
Более того, исследователи выделили три различных режима поведения пузырьков в зависимости от интенсивности звука. Каждый режим характеризуется уникальной акустической динамикой, что напрямую влияет на эффективность химических реакций.
Ожидается, что полученные данные помогут оптимизировать ультразвуковую обработку в таких сферах, как синтез наночастиц, очистка воды от трудноразлагаемых соединений (включая «вечные химикаты» PFAS), а также в фармацевтике и экологической инженерии.
Ранее Наука Mail рассказывала, что химикам удалось синтезировать аммиак из воздуха с помощью искусственных молний.