الكيمياء الصوتية

في الكيمياء ، يهتم علم الكيمياء الصوتية بفهم تأثير الموجات فوق الصوتية في تكوين التجويف الصوتي في السوائل، مما يؤدي إلى بدء أو تعزيز النشاط الكيميائي في المحلول. ^{[ 1 ]} لذا، فإن التأثيرات الكيميائية للموجات فوق الصوتية لا تنجم عن تفاعل مباشر بين الموجة الصوتية وجزيئات المحلول .

أُبلغ لأول مرة عن تأثير الموجات الصوتية المنتقلة عبر السوائل على يد روبرت ويليامز وود (1868-1955) وألفريد لي لوميس (1887-1975) عام 1927. كانت التجربة تدور حول تردد الطاقة اللازمة للموجات الصوتية لاختراق حاجز الماء. وخلص إلى أن الصوت ينتقل أسرع في الماء، ولكن نظرًا لكثافة الماء مقارنةً بالغلاف الجوي للأرض ، كان من الصعب للغاية نقل طاقة الموجات الصوتية إلى الماء. وبسبب التغير المفاجئ في الكثافة، يُفقد جزء كبير من الطاقة، كما هو الحال عند تسليط ضوء كشاف على قطعة زجاج؛ حيث ينفذ جزء من الضوء إلى الزجاج، بينما ينعكس الجزء الأكبر منه إلى الخارج. وبالمثل، عند سطح التماس بين الهواء والماء، ينعكس الصوت بالكامل تقريبًا عن سطح الماء بدلًا من أن ينتقل إليه. وبعد بحثٍ مُطوّل، قررا أن أفضل طريقة لنشر الصوت في الماء هي تكوين فقاعات بالتزامن مع الصوت. كانت إحدى المشكلات الأخرى هي نسبة الوقت الذي تستغرقه الموجات ذات التردد المنخفض لاختراق جدران الفقاعات والوصول إلى الماء المحيط بها، مقارنةً بالوقت المستغرق من تلك النقطة إلى النقطة المقابلة في المسطح المائي. ولكن على الرغم من الأفكار الثورية لهذه المقالة، فقد ظلت هذه المشكلة غير ملحوظة إلى حد كبير. ^{[ 2 ]} شهد علم الكيمياء الصوتية نهضةً في ثمانينيات القرن الماضي مع ظهور مولدات الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة، والتي كانت رخيصة الثمن وموثوقة، ومعظمها يعتمد على العناصر الكهروإجهادية . ^{[ 3 ]}

تتميز الموجات الصوتية المنتشرة في السوائل بترددات فوق صوتية بأطوال موجية أطول بكثير من أبعاد الجزيئات أو طول الروابط بين ذراتها. لذا، لا يمكن للموجة الصوتية التأثير مباشرةً على طاقة اهتزاز الرابطة، وبالتالي لا يمكنها زيادة الطاقة الداخلية للجزيء بشكل مباشر. ^{[ 4 ] [ 5 ]} بدلاً من ذلك، تنشأ الكيمياء الصوتية من التجويف الصوتي : وهو تكوّن الفقاعات ونموها وانهيارها الانفجاري في السائل. ^{[ 3 ]} يُعدّ انهيار هذه الفقاعات عملية شبه كظيمة ، مما يؤدي إلى تراكم هائل للطاقة داخل الفقاعة، مُسبباً درجات حرارة وضغوطاً عالية للغاية في منطقة مجهرية من السائل المُعرّض للموجات الصوتية . وتؤدي درجات الحرارة والضغوط العالية إلى إثارة كيميائية لأي مادة داخل الفقاعة أو بالقرب منها أثناء انهيارها السريع. يمكن أن ينتج عن التجويف الصوتي مجموعة واسعة من النتائج بما في ذلك التلألؤ الصوتي ، وزيادة النشاط الكيميائي في المحلول بسبب تكوين تفاعلات جذرية أولية وثانوية، وزيادة النشاط الكيميائي من خلال تكوين أنواع كيميائية جديدة مستقرة نسبيًا يمكنها الانتشار بشكل أكبر في المحلول لإحداث تأثيرات كيميائية (على سبيل المثال، تكوين بيروكسيد الهيدروجين من اتحاد جذري هيدروكسيل بعد تفكك بخار الماء داخل الفقاعات المنهارة عند تعرض الماء للموجات فوق الصوتية).

عند تعريض السوائل لإشعاع صوتي عالي الكثافة أو موجات فوق صوتية، يحدث عادةً تجويف صوتي. يُعدّ التجويف - أي تكوّن الفقاعات ونموها وانهيارها الانفجاري عند تعريضها للصوت - الدافع وراء الكيمياء الصوتية والتألق الصوتي . ^{[ 6 ]} ينتج عن انهيار الفقاعات في السوائل كميات هائلة من الطاقة نتيجة تحويل الطاقة الحركية لحركة السائل إلى تسخين محتويات الفقاعة. يكون انضغاط الفقاعات أثناء التجويف أسرع من النقل الحراري، مما يُولّد بقعة ساخنة موضعية قصيرة الأمد. أظهرت النتائج التجريبية أن درجة حرارة هذه الفقاعات تصل إلى حوالي 5000 كلفن، وضغطها إلى حوالي 1000 ضغط جوي، ومعدلات تسخينها وتبريدها تتجاوز 10^ ¹⁰ كلفن/ثانية. ^{[ 7 ] [ 8 ]} يمكن أن تُهيّئ هذه التجاويف ظروفًا فيزيائية وكيميائية قاسية في السوائل الباردة.

مع السوائل التي تحتوي على مواد صلبة، قد تحدث ظواهر مشابهة عند التعرض للموجات فوق الصوتية. بمجرد حدوث التكهف بالقرب من سطح صلب ممتد، يكون انهيار التجويف غير كروي ويدفع تيارات سائلة عالية السرعة نحو السطح. ^{[ 6 ]} يمكن لهذه التيارات والموجات الصدمية المصاحبة لها أن تُلحق الضرر بالسطح الذي أصبح شديد السخونة. تُنتج معلقات السائل والمسحوق تصادمات عالية السرعة بين الجسيمات. يمكن لهذه التصادمات أن تُغير شكل السطح وتركيبه وتفاعليته. ^{[ 9 ]}

توجد ثلاثة أنواع من التفاعلات الكيميائية الصوتية: الكيمياء الصوتية المتجانسة للسوائل، والكيمياء الصوتية غير المتجانسة لأنظمة السائل-السائل أو الصلب-السائل، والتحفيز الصوتي (تحفيز أو زيادة معدل التفاعل الكيميائي باستخدام الموجات فوق الصوتية)، وهو ما يتداخل مع النوع السابق. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} يُعدّ التلألؤ الصوتي نتيجةً لظاهرة التجويف نفسها المسؤولة عن الكيمياء الصوتية المتجانسة. ^{[ 5 ] [ 13 ] [ 14 ]} وقد دُرست إمكانية تعزيز التفاعلات الكيميائية بالموجات فوق الصوتية، ولها تطبيقات مفيدة في تركيب الأطوار المختلطة، وكيمياء المواد، والاستخدامات الطبية الحيوية . ولأن التجويف لا يحدث إلا في السوائل، لا تُلاحظ التفاعلات الكيميائية عند تشعيع المواد الصلبة أو أنظمة الصلب-الغاز بالموجات فوق الصوتية.

على سبيل المثال، في الحركية الكيميائية ، لوحظ أن الموجات فوق الصوتية تُعزز التفاعل الكيميائي في العديد من الأنظمة بشكل كبير، يصل إلى مليون ضعف؛ ^{[ 15 ]} حيث تعمل بفعالية على تنشيط المحفزات غير المتجانسة . إضافةً إلى ذلك، في التفاعلات التي تحدث عند أسطح التماس بين السوائل والمواد الصلبة، تُفتت الموجات فوق الصوتية القطع الصلبة وتُعرّض أسطحًا نظيفة نشطة من خلال حفر النفاثات الدقيقة الناتجة عن التكهف بالقرب من الأسطح، ومن تفتت المواد الصلبة بفعل انهيار التكهف في المناطق المجاورة. وهذا يُوفر للمادة الصلبة المتفاعلة مساحة سطح أكبر من الأسطح النشطة التي يُمكن للتفاعل أن يجري عليها، مما يزيد من معدل التفاعل الملحوظ. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

على الرغم من أن استخدام الموجات فوق الصوتية غالبًا ما ينتج عنه مخاليط من المنتجات، فقد وصفت ورقة بحثية نُشرت عام 2007 في مجلة Nature استخدام الموجات فوق الصوتية للتأثير بشكل انتقائي على تفاعل فتح حلقة سيكلوبوتان معين. ^{[ 18 ]} وقد أبلغ أتول كومار عن تفاعل متعدد المكونات لتخليق إستر هانتزش في المذيلات المائية باستخدام الموجات فوق الصوتية. ^{[ 19 ]}

يمكن تدمير بعض ملوثات المياه، وخاصة المركبات العضوية المكلورة، باستخدام المعالجة الصوتية الكيميائية. ^{[ 20 ]}

يمكن إجراء الكيمياء الصوتية باستخدام حمام (يستخدم عادة للتنظيف بالموجات فوق الصوتية ) أو باستخدام مسبار عالي الطاقة يسمى بوق الموجات فوق الصوتية ، والذي يقوم بتوجيه وربط طاقة عنصر كهرضغطية في الماء، مركزة في نقطة واحدة (صغيرة عادة).

يمكن استخدام الكيمياء الصوتية أيضًا في لحام المعادن التي يصعب لحامها عادةً، أو في تكوين سبائك جديدة على سطح معدني. يرتبط هذا بشكل غير مباشر بطريقة معايرة أجهزة التنظيف بالموجات فوق الصوتية باستخدام رقاقة من الألومنيوم وحساب الثقوب. تتشكل هذه الثقوب نتيجةً للتآكل الميكروي الناتج عن التكهف بالقرب من السطح، كما ذُكر سابقًا. ونظرًا لرقة رقاقة الألومنيوم وضعفها، يؤدي التكهف بسرعة إلى تفتتها وتدميرها.

يستغل جيل جديد من الكيمياء الصوتية مزايا المواد الوظيفية الكهروإجهادية لتعزيز التفاعلات الكيميائية في مفاعل كيميائي صوتي، وذلك من خلال عملية ناشئة تُسمى التحفيز الكهروإجهادي. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

• الموجات فوق الصوتية
• المعالجة بالموجات فوق الصوتية
• الموجات فوق الصوتية
• جهاز التجنيس بالموجات فوق الصوتية
• جهاز التجنيس
• التجانس (الكيمياء)
• الكيمياء الكهربائية الصوتية
• كينيث س. سوسليك

• التأثيرات الكيميائية والفيزيائية للموجات فوق الصوتية، بقلم البروفيسور ك. س. سوسليك
• الكيمياء الصوتية - مراجعة موجزة وأدبيات حديثة
• الكيمياء الصوتية: فرص جديدة للكيمياء الخضراء بقلم جريجوري شاتيل (جامعة سافوا مونت بلانك، فرنسا).