超音波化学

化学において、超音波化学の研究は、液体中に音響キャビテーションを形成する超音波の効果を理解することに関係しており、その結果、溶液中の化学活性の開始または増強がもたらされます。^{[ 1 ]}したがって、超音波の化学的効果は、超音波と溶液中の分子との直接的な相互作用から生じるものではありません。

液体中を伝わる音波の影響は、 1927年にロバート・ウィリアムズ・ウッド（1868～1955）とアルフレッド・リー・ルーミス（1887～1975）によって初めて報告されました。この実験は、音波が水の障壁を「透過」するのに必要なエネルギーの周波数に関するものでした。彼らは、音は水中では速く伝わるものの、地球の大気に比べて水の密度が高いため、音波のエネルギーを水に伝えるのは非常に難しいという結論に達しました。急激な密度の変化により、エネルギーの大部分が失われます。これは、懐中電灯をガラスに当てた場合と同様で、光の一部はガラスに透過しますが、大部分は反射して失われます。同様に、空気と水の界面でも、音のほとんどすべてが水に透過するのではなく、水面から反射されます。多くの研究の後、彼らは音を水中に拡散させる最良の方法は、音と同時に気泡を発生させることだと結論付けました。もう一つの問題は、低周波波が気泡の壁を透過して気泡の周囲の水に到達するのにかかる時間と、その地点から水の反対側の地点までの時間の比率でした。しかし、この記事の革新的なアイデアにもかかわらず、それはほとんど注目されませんでした。^{[ 2 ]}超音波化学は、1980年代に、圧電素子 をベースとした安価で信頼性の高い高強度超音波発生器の出現により、ルネッサンスを経験しました。^{[ 3 ]}

超音波周波数で液体中を伝搬する音波の波長は、分子の寸法や分子内の原子間の結合長よりもはるかに長い。そのため、音波は結合の振動エネルギーに直接影響を与えることはできず、したがって分子の内部エネルギーを直接増加させることはできない。^{[ 4 ] [ 5 ]}その代わりに、音響キャビテーション、つまり液体中の気泡の形成、成長、および爆縮崩壊から、ソノケミストリーが生じる。^{[ 3 ]}これらの気泡の崩壊はほぼ断熱過程であり、その結果、気泡内部に大量のエネルギーが蓄積され、超音波処理された液体の微小領域で極めて高い温度と圧力が生じる。この高温と圧力により、気泡が急速に爆縮する際に、気泡内部または気泡のすぐ近くにある物質が化学的に励起される。音響キャビテーションからは、ソノルミネセンス、一次および二次ラジカル反応の形成による溶液中の化学活性の増加、溶液中にさらに拡散して化学効果を生み出すことができる比較的安定な新しい化学種の形成による化学活性の増加（例えば、水が超音波にさらされたときに崩壊する気泡内の水蒸気の解離に続いて2つのヒドロキシルラジカルが結合して過酸化水素が形成される）など、さまざまな結果が生じる可能性があります。

高強度の音波または超音波を照射すると、通常、音響キャビテーションが発生します。キャビテーション（音波を照射された気泡の形成、成長、および爆縮崩壊）は、ソノケミストリーとソノルミネセンスの原動力です。^{[ 6 ]} 液体中の気泡の崩壊は、液体の運動エネルギーを気泡の内容物の加熱に変換することによって、膨大な量のエネルギーを生成します。キャビテーション中の気泡の圧縮は熱輸送よりも速く、短時間の局所的なホットスポットを生成します。実験結果によると、これらの気泡は、約 5000 K の温度、約 1000 atm の圧力、および 10 ¹⁰ K/s を超える加熱および冷却速度を持っています。^{[ 7 ] [ 8 ]} これらのキャビテーションは、通常低温の液体に極端な物理的および化学的条件を作り出すことができます。

固体を含む液体では、超音波に曝されると、同様の現象が発生する可能性がある。拡張された固体表面の近くでキャビテーションが発生すると、空洞の崩壊は非球形になり、高速の液体ジェットが表面に向かって押し出される。^{[ 6 ]} これらのジェットとそれに伴う衝撃波は、現在非常に高温になっている表面を損傷する可能性がある。液体粉末懸濁液は、高速の粒子間衝突を引き起こす。これらの衝突は、表面の形態、組成、および反応性を変化させる可能性がある。^{[ 9 ]}

超音波化学反応には、液体の均一超音波化学、液液系または固液系の不均一超音波化学、および前述のものと重複する超音波触媒（超音波による化学反応の触媒作用または反応速度の増加）の 3 つのクラスが存在します。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}ソノルミネセンスは、均一超音波化学の原因となるのと同じキャビテーション現象の結果です。^{[ 5 ] [ 13 ] [ 14 ]}超音波による化学反応の促進は研究されており、混合相合成、材料化学、および生物医学用途で有益な応用があります。キャビテーションは液体でのみ発生するため、固体または固気系への超音波照射では化学反応は見られません。

例えば、化学反応速度論では、超音波が多くのシステムで化学反応性を最大百万倍も大幅に向上させることが観察されており、^{[ 15 ]}不均一触媒を効果的に活性化する働きをします。さらに、液固界面での反応では、超音波は固体の破片を砕き、表面付近のキャビテーションによるマイクロジェットピット形成と、近傍のキャビテーション崩壊による固体の破砕によって、活性な清浄な表面を露出させます。これにより、固体反応物は反応が進行するための活性表面の表面積が大きくなり、観察される反応速度が増加します。^{[ 16 ] [ 17 ]}

超音波の適用により生成物の混合物が生成されることが多いが、2007年にNature誌に掲載された論文では、特定のシクロブタン環開環反応に選択的に影響を与える超音波の使用について説明されている。 ^{[ 18 ]} Atul Kumarは、超音波を使用した水性ミセル中での多成分反応ハンツシュエステル合成について報告している。^{[ 19 ]}

一部の水質汚染物質、特に塩素化有機化合物は、超音波化学的に分解することができる。^{[ 20 ]}

超音波化学は、浴槽（通常は超音波洗浄に使用される）を使用するか、超音波ホーンと呼ばれる高出力プローブを使用して行うことができます。超音波ホーンは、圧電素子のエネルギーを水に集束させて結合させ、一点（通常は小さな点）に集中させます。

超音波化学は、通常は接合が困難な金属同士を溶接したり、金属表面に新しい合金を形成したりするためにも利用できます。これは、アルミ箔を用いて超音波洗浄機を校正し、穴の数を数える方法と間接的に関連しています。形成された穴は、前述のように、表面付近のキャビテーションによって生じるマイクロジェットピットによるものです。アルミ箔は薄くて弱いため、キャビテーションによってすぐに箔が破砕され、破壊されます。

新世代の超音波化学は、機能性強誘電体材料の利点を活用し、圧電触媒と呼ばれる新たなプロセスにおいて超音波化学反応器内の化学反応をさらに強化している。^{[ 21 ] [ 22 ]}

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• KS Suslick教授著「超音波の化学的および物理的効果」
• 超音波化学 – 簡単な概説と最近の文献
• ソノケミストリー: グリーンケミストリーの新たな機会 Gregory Chatel著 (サヴォワ・モンブラン大学、フランス)