المعالجة بالموجات فوق الصوتية

المعالجة بالموجات فوق الصوتية هي عملية تطبيق طاقة صوتية لتحريك الجزيئات في عينة، وذلك لأغراض متنوعة مثل استخلاص مركبات متعددة من النباتات والطحالب الدقيقة والأعشاب البحرية. ^{[ 1 ]} تُستخدم عادةً ترددات فوق صوتية  (> 20 كيلوهرتز)، مما يجعل هذه العملية تُعرف أيضاً باسم المعالجة بالموجات فوق الصوتية . ^{[ 2 ]} 

في المختبر، يُستخدم عادةً حمام الموجات فوق الصوتية أو مسبار الموجات فوق الصوتية ، المعروف شعبياً باسم جهاز السونيكاتور . وفي آلة صناعة الورق ، يمكن لرقاقة الموجات فوق الصوتية توزيع ألياف السليلوز بشكل أكثر تجانساً وتقوية الورق.

للموجات فوق الصوتية تأثيرات عديدة، كيميائية وفيزيائية. يُطلق على المجال العلمي المعني بفهم تأثير الموجات الصوتية على الأنظمة الكيميائية اسم الكيمياء الصوتية . لا تنشأ التأثيرات الكيميائية للموجات فوق الصوتية من تفاعل مباشر مع الجزيئات. وقد أظهرت الدراسات أنه لا يمكن تفسير الكيمياء الصوتية ^{[ 3 ]} أو التلألؤ الصوتي ^{[ 4 ]} من خلال اقتران مباشر بين المجال الصوتي والجزيئات الكيميائية على المستوى الجزيئي . بدلاً من ذلك، في الكيمياء الصوتية، تنتقل الموجات الصوتية عبر وسط ما، مُحدثةً تغيرات في الضغط وتجويفات تنمو ثم تنهار، محولةً الموجات الصوتية إلى طاقة ميكانيكية ^{[ 1 ] .}

يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية لإنتاج الجسيمات النانوية مثل المستحلبات النانوية ، ^{[ 5 ]} والبلورات النانوية، والليبوسومات، ومستحلبات الشمع، بالإضافة إلى تنقية مياه الصرف الصحي، وإزالة الغازات، واستخلاص عديدات السكاريد من الأعشاب البحرية ^{[ 1 ]} والزيوت النباتية، واستخلاص الأنثوسيانين ومضادات الأكسدة، ^{[ 6 ]} وإنتاج الوقود الحيوي ، وإزالة الكبريت من النفط الخام، وتكسير الخلايا ، ومعالجة البوليمرات والإيبوكسي، وتخفيف المواد اللاصقة، والعديد من العمليات الأخرى. وتُستخدم هذه التقنية في العديد من الصناعات، بما في ذلك الصناعات الدوائية، والتجميلية، والمياه، والأغذية، والأحبار، والدهانات، والطلاءات، ومعالجة الأخشاب، وتشكيل المعادن، والمركبات النانوية، والمبيدات الحشرية، والوقود، ومنتجات الأخشاب، وغيرها الكثير.

يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية لتسريع عملية الذوبان عن طريق كسر الروابط بين الجزيئات. وهي مفيدة بشكل خاص عندما يتعذر تحريك العينة، كما هو الحال مع أنابيب الرنين المغناطيسي النووي . ويمكن استخدامها أيضًا لتوفير الطاقة اللازمة لحدوث بعض التفاعلات الكيميائية.

تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية لإزالة الغازات المذابة من السوائل ( إزالة الغازات ) عن طريق تعريض السائل للموجات فوق الصوتية وهو تحت فراغ. وهذا بديل لطرق التجميد والضخ والإذابة والتهوية .

في التطبيقات البيولوجية، قد يكون استخدام الموجات فوق الصوتية كافيًا لتعطيل أو إضعاف المواد البيولوجية. على سبيل المثال، تُستخدم الموجات فوق الصوتية غالبًا لكسر أغشية الخلايا وإطلاق محتوياتها، وتُعرف هذه العملية باسم "التثقيب الصوتي" . ويمكن إنتاج حويصلات أحادية الطبقة صغيرة (SUVs) عن طريق معالجة مجموعة من الحويصلات متعددة الطبقات الكبيرة (LMVs) بالموجات فوق الصوتية. كما تُستخدم الموجات فوق الصوتية لتفتيت جزيئات الحمض النووي (DNA)، حيث يُعرَّض الحمض النووي لفترات قصيرة من الموجات فوق الصوتية، فيُقطَّع إلى أجزاء أصغر.

تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية بشكل شائع في تقنية النانو لتوزيع الجسيمات النانوية بالتساوي في السوائل. كما تُستخدم أيضًا لتفتيت تجمعات الجسيمات الغروية ذات الحجم الميكروني.

يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية أيضًا لبدء عمليات التبلور وحتى التحكم في التبلور متعدد الأشكال. ^{[ 7 ]} كما تُستخدم للتدخل في عمليات الترسيب بمضادات المذيبات (التبلور) للمساعدة في الخلط وعزل البلورات الصغيرة.

تُعدّ المعالجة بالموجات فوق الصوتية الآلية المستخدمة في التنظيف بالموجات فوق الصوتية، حيث تعمل على تفكيك الجزيئات الملتصقة بالأسطح. وإلى جانب تطبيقاتها في العلوم المخبرية، تُستخدم أحواض المعالجة بالموجات فوق الصوتية في تنظيف أشياء مثل النظارات والمجوهرات .

تُستخدم تقنية المعالجة بالموجات فوق الصوتية في صناعة الأغذية أيضاً. وتتمثل تطبيقاتها الرئيسية في تشتيت المواد لتوفير استخدام المستحلبات باهظة الثمن (كما في المايونيز) أو لتسريع عمليات الترشيح (كما في الزيوت النباتية وغيرها). وقد أُجريت تجارب باستخدام هذه التقنية لإضفاء خاصية التعتيق الاصطناعي على المشروبات الكحولية .

غالباً ما تُعرَّض عينات التربة للموجات فوق الصوتية لتفكيك تجمعات التربة؛ وهذا يسمح بدراسة المكونات المختلفة لتجمعات التربة (وخاصة المادة العضوية في التربة ) دون تعريضها لمعالجة كيميائية قاسية. ^{[ 8 ]}

تُستخدم الموجات فوق الصوتية أيضًا لاستخراج الأحافير الدقيقة من الصخور. ^{[ 9 ]}

يُستخدم حمام الموجات فوق الصوتية أو نظام مسبار الموجات فوق الصوتية للاستخلاص. على سبيل المثال، اقتُرحت هذه التقنية لإزالة الإيسوفلافونات من فول الصويا والمركبات الفينولية من نخالة القمح ومسحوق قشرة جوز الهند . ^{[ 10 ]} تختلف النتائج باختلاف المواد الخام والمذيبات المستخدمة وتقنيات الاستخلاص الأخرى. يُعدّ التجويف الصوتي أو فوق الصوتي أساس عمل الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية. ^{[ 11 ]}

تتطلب العديد من تطبيقات المعالجة، مثل التبلور النانوي، والاستحلاب النانوي، ^{[ 5 ]} وتفكيك التكتلات، والاستخلاص، وتفتيت الخلايا، وغيرها الكثير، كثافة عالية من الموجات فوق الصوتية وسعات اهتزازية عالية. عادةً، تُختبر العملية أولًا على نطاق المختبر لإثبات جدواها وتحديد بعض معايير التعرض المطلوبة للموجات فوق الصوتية. بعد اكتمال هذه المرحلة، تُنقل العملية إلى نطاق تجريبي (على طاولة العمل) لتحسين التدفق قبل الإنتاج، ثم إلى نطاق صناعي للإنتاج المستمر. خلال خطوات التوسع هذه، من الضروري التأكد من ثبات جميع ظروف التعرض المحلية (سعة الموجات فوق الصوتية، وشدة التجويف ، والوقت الذي يقضيه المنتج في منطقة التجويف النشطة، إلخ). إذا تحقق هذا الشرط، تبقى جودة المنتج النهائي عند المستوى الأمثل، بينما تزداد الإنتاجية بنسبة متوقعة مع زيادة الحجم. ينتج ارتفاع الإنتاجية عن دمج أنظمة المعالجة بالموجات فوق الصوتية، سواءً على مستوى المختبر أو على مستوى الصناعة، لأبواق أكبر حجماً، قادرة على توليد مناطق تجويف عالية الكثافة أكبر حجماً ، وبالتالي معالجة كميات أكبر من المواد في وحدة الزمن. يُعرف هذا بـ "التوسع المباشر". من المهم الإشارة إلى أن زيادة قدرة معالج الموجات فوق الصوتية وحدها لا تؤدي إلى التوسع المباشر، إذ قد يصاحبها (وكثيراً ما يحدث) انخفاض في سعة الموجات فوق الصوتية وشدة التجويف. خلال التوسع المباشر، يجب الحفاظ على جميع ظروف المعالجة، مع زيادة قدرة الجهاز لتمكين تشغيل بوق أكبر. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} يُعدّ إيجاد ظروف التشغيل المثلى لهذا الجهاز تحدياً لمهندسي العمليات، ويتطلب معرفة معمقة بالآثار الجانبية لمعالجات الموجات فوق الصوتية. ^{[ 15 ]}

• الموجات فوق الصوتية
• التنظيف بالموجات فوق الصوتية
• كينيث س. سوسليك