ソノケミストリー

化学における音響化学の研究は、超音波が液体中に音響キャビテーションを形成し、溶液中の化学活性の開始または増強をもたらす効果を理解することに関係しています。 ^[1]したがって、超音波の化学的効果は、超音波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「貫通」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。彼は、音は水中でより速く伝わるが、地球の大気と比較した水の密度のため、音波のエネルギーを水中に結合させることは非常に難しいという結論に達しました。密度が突然変化するため、懐中電灯をガラスに向けるのと同様に、エネルギーの多くが失われます。光の一部はガラスに伝わりますが、その多くは外側への反射によって失われます。同様に、空気と水の境界面では、音のほとんどすべてが水に伝わるのではなく、水から反射されます。多くの研究の後、彼らは、音を水中に分散させる最良の方法は、音と同時に泡を作ることであると判断しました。もう一つの問題は、低周波の波が泡の壁を貫通して泡の周りの水に到達するのにかかる時間と、その地点から水域の反対側の地点までの時間の比率でした。しかし、この論文の革新的なアイデアにもかかわらず、ほとんど注目されませんでした。^{[2]ソノケミストリーは、ほとんどが}圧電素子 をベースにした、安価で信頼性の高い高強度超音波発生器の登場により、1980年代に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播する音波の波長は、分子の大きさや分子内の原子間の結合長よりも何倍も長い。したがって、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]}代わりに、ソノケミストリーは音響キャビテーション、つまり液体中の泡の形成、成長、および爆縮によって生じる。^[3]これらの泡の崩壊はほぼ断熱過程であるため、泡の中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視的領域に極めて高い温度と圧力が生じる。高温と高圧により、泡が急速に爆縮するときに、泡の内部または非常に近くにあるあらゆる物質が化学的に励起される。音響キャビテーションの結果、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新しい比較的安定した化学種の形成による化学活性の増加（たとえば、水が超音波にさらされると崩壊する泡内で水蒸気が解離し、2 つのヒドロキシルラジカルの結合から過酸化水素が形成される）など、多種多様な結果が生じる可能性があります。

高強度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（音波照射を受けた気泡の形成、成長、および爆発的崩壊）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で、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、これらの気泡の温度は約5000 K、圧力は約1000 atm、加熱および冷却速度は10 ¹⁰ K/sを超えています。^{[7] [8]} これらのキャビテーションは、そうでなければ冷たい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。

固体を含む液体の場合、超音波にさらされると同様の現象が発生することがあります。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、キャビティの崩壊は非球形になり、液体の高速ジェットが表面に噴射されます。^[6] これらのジェットとそれに伴う衝撃波は、高温になった表面に損傷を与える可能性があります。液体粉末懸濁液は、高速の粒子間衝突を引き起こします。これらの衝突により、表面の形態、組成、反応性が変化する可能性があります。^[9]

超音波化学反応には、液体の均一系超音波化学、液体-液体系または固体-液体系の不均一系超音波化学、および前述と重複する超音波触媒作用（超音波による化学反応の触媒作用または速度の増加）の 3 つのクラスがあります。^{[10] [11] [12]} 超音波発光は、均一系超音波化学の原因となる同じキャビテーション現象の結果です。^{[13] [14] [5]} 超音波による反応の化学的増強が研究されており、混相合成、材料化学、および生物医学的用途で有益な用途があります。キャビテーションは液体でのみ発生するため、固体または固体-気体系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100万倍も大幅に高めることが観察されています。^[15]不均一触媒を効果的に活性化します。さらに、液体と固体の界面での反応では、超音波は固体片を分解し、表面近くのキャビテーションによるマイクロジェットピットと、近くのキャビテーション崩壊による固体の断片化によって活性なきれいな表面を露出させます。これにより、固体反応物の活性表面の面積が大きくなり、反応が進行し、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年にネイチャー誌に掲載された論文では、特定のシクロブタン開環反応に選択的に影響を及ぼすために超音波を使用する方法について説明されている。^[18] アトゥル・クマールは、超音波を使用した水性ミセル中の多成分反応ハンチエステル合成について報告している。^[19]

いくつかの水質汚染物質、特に塩素化有機化合物は超音波化学的に破壊することができる。^[20]

ソノケミストリーは、浴槽（通常は超音波洗浄に使用）を使用するか、または超音波ホーンと呼ばれる高出力プローブを使用して実行できます。超音波ホーンは、圧電素子のエネルギーを水に集めて結合し、1 つの（通常は小さな）ポイントに集中させます。

ソノケミストリーは、通常は接合できない金属を溶接したり、金属表面に新しい合金を形成させたりするためにも使用できます。これは、アルミホイルのシートを使用して超音波洗浄機を較正し、穴の数を数える方法と関係があります。形成された穴は、前述のように、表面近くのキャビテーションによって生じるマイクロジェット ピットの結果です。アルミホイルは薄くて弱いため、キャビテーションによってすぐにホイルが破片化し、破壊されます。

新世代のソノケミストリーは、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しいプロセスにおけるソノケミストリー反応器内の化学反応をさらに強化します。^{[21] [22]}

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• 超音波の化学的および物理的効果（KSサスリック教授著）
• ソノケミストリー – 短いレビューと最近の文献
• 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 (サヴォワモンブラン大学、フランス)