Sonokimya modeli, gürültülü kabarcıkların ultrasonla güçlendirilmiş kimyasal reaksiyonları engellediğini gösteriyor

Ultrason kimyasal reaksiyonları yönlendirmenin güçlü bir yoludur. Yüksek frekanslı ses dalgaları bir sıvıdan geçtiğinde, küçük kabarcıklar oluşur ve akustik kavitasyon adı verilen bir süreçte şiddetli bir şekilde çöker. Bu çökme sırasında, gaz parçacıkları birbirine zorlanarak kabarcıkların içinde 5.000 K’yi (güneşin yüzeyinden daha sıcak) aşabilen sıcaklıklar yaratılır ve kimyasal reaksiyonlar tetiklenir.

Ancak araştırmacılar bu sürecin ilginç bir özelliğini de buldular: Belirli bir noktada ultrasonik gücün artması, eşlik eden kimyasal reaksiyonları arttırmak yerine azaltır; bu süreç söndürme olarak bilinir.

Söndürmenin neden gerçekleştiğini anlamak, endüstride kullanımını optimize etme yolunda hayati bir adımdır. Şimdi, Osaka Metropolitan Üniversitesi Mühendislik Yüksek Okulu’ndan Doçent Takuya Yamamoto ve Ryuya Hayashi, bu paradoksu açıklayan yeni bir sayısal model geliştirdiler.

Bulgular şu adreste yayınlanıyor: Ultrasonik Sonokimya.

Hayashi, “Sonokimyasal reaksiyonlar ultrasonik koşullara bağlı olarak üç farklı reaksiyon rejiminde sınıflandırılabilir” diye açıkladı. “Daha önce bu üç rejim deneysel olarak gözlemlenmişti, ancak hepsini açıklayabilecek sayısal bir model yoktu. Modelimiz, kabarcıkların sönmesini ve benzersiz davranışını, üç rejimin tümünü başarıyla tahmin eden birleşik bir fiziksel açıklamaya bağlıyor.”

Model, salınan kabarcıkların ultrasona tepki vermekten daha fazlasını yaptığını, aynı zamanda kendi ses dalgalarını da yaydıklarını gösterdi. Ultrasonik güç arttıkça salınımlı kabarcıklar tarafından yayılan ve emilen ses, ultrasonik alanı bozarak istenmeyen gürültü oluşturur.

Yamamoto, “Simülasyonlarımız, baloncukların ultrasonun bozulmasından sorumlu olduğunu ortaya koyuyor” dedi. “Sonokimyasal reaksiyonların verimliliğini sınırlayan akustik paraziti etkili bir şekilde yaratıyorlar.”

Model, ultrason yayılımını, kabarcık salınımını, kabarcık tarafından üretilen sesi ve kabarcık sıcaklığını tek bir çerçeve içinde birleştirdiğinden, deneme yanılma deneylerine güvenmek yerine sonokimyasal reaktörlerin optimum çalışma koşullarına ne zaman ulaşacağını tahmin etmek için kullanılabilir.

Yamamoto, “Çalışan bir modele sahip olmak, reaktörlerin enerji tüketimini en aza indirirken maksimum verimlilikte çalışmasına olanak tanıyacaktır” dedi. “Böyle bir reaktör, kalıcı tehlikeli organik bileşiklerin bozunmasını, yarı iletken levhaların temizlenmesini ve yüksek sıcaklıklardan yararlanan yeni nesil nanopartiküllerin sentezini hızlandırabilir.”