Siêu âm trong hóa học potx

Siêu âm trong hóa học
Siêu âm có thể tạo nhiệt độ cao như nhiệt độ của bề mặt mặt trời và áp
suất lớn như áp suất dưới lòng đại dương. Trong một vài trường hợp sóng
siêu âm có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên gần một triệu lần.
Đây làthiết bị tạo siêu âm (sừng siêu âm), thanh titanđược ngâm vào trong
dungdịch phảnứng để truyền độngthông qua sự rung.
Sóng siêu âmcó thể được thấy trongnhiều lĩnh vựckhác nhau. Tronggia
đình, chúng ta thường sử dụng sóng siêu âm để huýt sáo báo hiệu cho con chó,
chuông chống trộmvà sử dụng trongviệc làm sạchđồ kim hoàn. Trong y khoa,các
bác sĩ sử dụng sóng siêu âm để loại bỏ những sạn trong thậnmà không cần phải
làm phẫu thuật, chữatrị nhữngtổn thương về sươngsụn ( như ở khuỷutay), và
chụp nhữnghình ảnh phát triển củathai nhi trong thờikỳ mang thai. Trong công
nghiệp, siêu âm rất quantrọng trong công nghiệp sảnxuất mỹ phẩm và thực phẩm,
hàn plastics,khuấy trộn, làm sạch nhữngvật cókích cỡ lớn.
Hóa học ứngdụng siêu âm gọi là âm hóa học (sonochemistry), nó đã trở
thành một lĩnhvực nghiên cứu mới trongthập kỷ qua. Lịch sử của ngànhâm hóa
học phát triển saunhững năm1800. 1984, trên con tàu chiếncao tốc, Sir John I.
Thornycroft vàSydney W.Barnabyđã phát hiện con tàulắc dữ dội và chânvịt tàu
bị ăn mònnhanhchóng. Họ tìm hiểu và thấy có nhữngbóng khí lớn hìnhthành
trên chân vịtcủa tàu khitàu đangchạy, sự hình thành và vỡ của những bóngkhí,
bằngcách tăng kích thước củachân vịtvà giảm vận tốc quay của chânvịt họ đã
hạn chế được sự ăn mòn. Vì thế phát hiện ra được cơ chế cavitation(tạm gọi là"sự
tạo vàvỡ bọt").
Cavitation xảy ra khôngnhững trong sự xoáy mạnh của dòngchảymà còn xảy ra
trong trường hợp chiếu xạ môi trườnglỏng bằngsóng siêu âmcường độ cao.
Chiếuxạ siêu âm có thể làm tăng tốc độ phảnứng lên gấp nhiều lần.Ảnh hưởng
hóa học củasóng siêu âm đượcđược chia thành bahướng: âm hóa họcđồng pha
sử dụng trong dung dịch lỏng (homogeneoussonochemistry of liquids),âm hóa
học dị pha sử dụng trong hệ lỏng–lỏnghay lỏng–rắn (heterogeneous
sonochemistryof liquid-liquidor liquid-solidsystems)và âm họcxúc tác
(sonocatalysis).Do cavitationchỉ diễn ratrong môi trường dungdịch nên phản

ứng hóa họccủa hệ rắn hay rắn –khí không sử dụng chiếu xạ siêu âm được.
Sóng siêu âmcó chiều dài sóng khoảng10cm – 10-3cm,với chiềudài sóng này thì
khôngtạo đủ nănglượng để tương tác trực tiếp lênliên kết hóa học(không thể
làm đứtliên kết hóa học).
Tuy nhiên, sự chiếu xạ siêu âm trong môi trườnglỏng lại sản sinh ramộtnăng
lượng lớn, donó gâynên một hiện tượngvật lý đó là cavitation,quá trìnhnày phụ
thuộcvào môi trường phản ứng (môi trườngđồng thể lỏng rất khác so với
cavitation ở bề mặt tiếpxúc rắn-lỏng).
Siêuâm được chiếu xạ qua môi trường lỏng tạo ra mộtchu trình dãn nở,nó gây ra
áp suấtchân không (negative pressure)trong môi trườnglỏng. Hiện tượng
cavitation xảy rakhiáp suất chân không (negativepressure)vượt quá so với độ
bền kéo (local tensilestrength)của chấtlỏng, độ bền này thayđổi tùy theo loại và
độ tinhkhiết của chất lỏng(độ bền kéo là ứngsuất tốiđa mà chất lỏngcó thể chịu
được khikéo). Thông thườngsự tạo-vỡ bọt là một quátrình tạo mầm,bắt nguồn
từ những chỗ yếu trong chất lỏngnhư một lỗ hổng chứakhí phân tán lơ lửngtrong
hệ hoặc là những vibọt tồn tại thời gian ngắntrước khi sự tạo-vỡ bọt xảy ra.Hầu
hết cácchất lỏngđều có đủ những chỗ yếu nàyđể hình thành nên cavitation.
Những vibọt nàyqua sự chiếu xạ của siêu âmthì sẽ hấp thu dần năng lượngtừ
sóng và sẽ phát triển. Sự phát triển của bọt phụ thuộc vào cườngđộ của sóng. Ở
cường độ sóngcao, nhữngbọt nàysẽ phát triểnnhanh thông quatương tác quán
tính. Nếu chu kỳ giãn nở của sóng đủ nhanh, bọt khí đượcgiãn ra ở nữa chu kỳ đầu
và nữa chu kỳ còn lại là nén bọt, nhưng bọt chưakịp nén thì lại đượcgiãn tiếp, cứ
thế bọt lớn dần lên vàvỡ. Ở cường độ âm thấp hơn bọtkhí cũng hìnhthành theo
quá trìnhchậm hơn.
Sự nén khí tạo ranhiệt. Mộtví dụ dễ thấy là khi bơm lốp xeđạp,năng lượng
cơ học là sự đè nénkhí tạo ra nhiệt làmnóngốngbơm.
Trongchất lỏngchiếu xạ siêu âm, sự nén khí cũngdiễnra khi các bọt bị vỡ vào
trong dưới áplực của chất lỏngbên ngoài, sự vỡ này sinh ra một lượngnhiệt tại
điểm đó gọi làsự tỏanhiệt tại một điểm (hot-spot). Tuy nhiên trong môi trường
xungquanh là lỏng lạnhvà sự gia nhiệt nhanhchóng được dập tắt, nên nó tồn tại

trong thời gianngắn. Hot-spot là yếu tố quyếtđịnh của âmhóa học trong môi
trường đồng thể.
Hot spot có nhiệt độ xấp xỉ 5000oC, áp suất khoảng 1000atm,thời gian sống
ngắn hơn1microsecond, tốc độ gia nhiệt và làmlạnh trên 10tỉ độ C/giây . Một sự
so sánhgần đúngnhư sau:hot-spottạo đượcnhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ bề mặt mặt
trời, ápsuất lớn như dưới lòngđại dương,thời gian sốngnhư một tia chớp, thời
gian làm lạnhnhanh gấp hành triệu lần khi nhúng một thanh sắtnóng đỏ vào chậu
nước. Sự tạo và vỡ bọt (cavitation)đóng vaitrò như mộttrung gianđể nhận năng
lượng và tậptrung nănglượngcủa sóng âm chuyển năng lượngnày sangdạng có
ích chohóa học.
Cavitation TrongMôi Trường Lỏng-Rắn
Khi sự tạo-vỡ bọt xảy ra gần bề mặt phân cách lỏng-rắn thì nó khác so với
trong hệ đồng thể. Trong hệ đồng thể thì quátrình vỡ bọt thì bọtvẫn ở dạnghình
cầu đối xứng. Tuynhiên, ở ranh giới phâncách rắnlỏng thìsự vỡ bọt ở dạng rất
bất đối xứng vàtạo ra một sự phun chấtlỏng với tốc độ rất cao.
Hình ảnhmột bóng khí trong môitrườnglỏng chiếu xạ siêuâm vỡ gần bề
mặtrắn. Sự có mặtcủa bề mặt rắn là nguyên nhân của sự vỡ bất đối xứng,hình
thành một vòi chất lỏng bắn vào bề mặt rắnvới tốc độ rất cao. (L.A. Crum)
Thế năng của sự giãn nở bọt đượcchuyển thành độngnăng của vòi phun
chất lỏng, nó hình thành và di chuyểnvào phíatrong, đâmxuyênqua bóng khí.
Những vòi này bắn vào bề mặt rắn với một lực rất lớn, quá trình này tạora một lỗ
thủng tại vị trí bị tác kích, làm tăng diệntích bề mặt tiếp xúccủa pha rắn. Đây là
nguyênnhânchính dẫn đếnsự mài mònkim loại nhanh chóng ở chân vịt tàu, các
tua binnhững nơi màsự tạo-vỡ bọt xảy ra liên tục.
Ảnh được chụpbởi máyquay vi phimcảm ứnglaser tốc độ cao. Sự tạo-vỡ
bọt gần bề mặt phân cách rắn lỏng,một vòi rất nhỏ được hình thành, bắn vào bề
mặtrắn với vận tốc xấp xỉ 400Km/giờ (111 m/s)(Werner Lauterbornthuộcđại
học TechnischeHochschule ở Darmstadtcủa Đức).
Sự bóp méo phá hủybóngkhí phụ thuộc vàobề mặt rắn.Do vậy, nếusử
dụngbột mịn chovào phalỏngvà sử dụng siêu âm thì sẽ không thấy sự hình thành

vòi (jet). Trong trường hợp lỏng và bột thì sự tạo-vớ bọthình thành liêntục tạo ra
sóng kích thích (shock waves)có thể gây ra sự va chạm mạnhgiữa các hạt.Sóng
kíchthích này có thể làm cho những hạt kimloại vachạm nhauvới tốc độ cao và
sinh ra nhiệt gây nóngchảy tại điểm vachạm, nênnhững hạt nàybị dính với nhau.
Ảnh SEM(Scanning electronmicrograph) của bộtkẽm saukhi kích thích
sóng siêu âm.Đoạn nối giữa haihạt kiễm đượchình thànhdo sự nóngchảy cục bộ
là kếtquả của sự va chạm mạnh.S.J. Doktyczvà K. S. Suslick sử dụng bộtkim loại
để ướclượngnhiệt độ và tốcđộ tốiđa khicó sự va chạmgiữacác hạt.Khibộtcrom,
molybdenvà tungstenở kích thướcvài micrometđượcchiếuxạ sóng tần số 20KHz,
cường độ 50 watts/cm2,trong phalỏng.
Sự kết tụ và hàn gắn cáchạt lại với nhau xảy ra ở kim loại thứ nhấtvà thứ
hai , nhưng không xảyra ở kim loại thứ ba. Dựa vào nhiệt độ nóngchảy củanhững
kim loạinày màsuy ra đượcnhiệt độ tạo ra dosự vachạm củacác hạtkim loại
khoảng 3000oC.Trên cơ sở nhiệt độ va chạm này, xác định được năng lượng tỏa ra
của sự va chạm,suy ra được vận tốc va chạm khoảng1800Km/giờ (500m/s)bằng
phân nữavận tốc âm thanhtrong môi trường chất lỏng.Chú ý lànhiệt độ của quá
trìnhva chạm giữa cáchạt khôngliên quanđến nhiệtđộ sinhra từ sự tạo-vỡ bọt.
Ảnh SEMcủa bộtkim loại trướcvà sau khichiếu xạ siêu âm. Crom nóng chảy
1857oCvà các hạt crom bị biến dạng, kết tụ lạivới nhau. Molybdennóng chảy ở
2617oCvà các hạt Mo cũng kếttụ lại với nhaunhưngkhông hoàn toàn. Tungsten
nóngchảy ở 3410oCvà khôngbị ảnh hưởng.
Tronglĩnh vực polymervà nguyên liệusinh học: Sự giảm cấp polymertrong
dungdịch chiếuxạ siêu âm cũng được thực hiện. Cơ chế giảm cấp xảy rado sóng
âm tạo ra bởi sự vỡ bọt trong môi trường lỏng có siêuâm. Sản phẩm của sự giảm
cấp nàylà những mạch polymercó chiều dài ngắn hơn với độ phân bố đồng đều,
sự giảm cấp thường xảy ra ở giữa mạch polymer.
Ứng dụng dụng siêu âm trong tổng hợp nguyênliệu sinh họcđang phát triển
mạnh.Trong khi đó nhữngảnh hưởngcủa siêu âmtrong dung dịch nướcđã được
nghiêncứu nhiều năm,sự phát triển của ứngdụng siêu âmtrong dungdịch nước
để tổnghợp nguyênliệu sinh học thì pháttriển gần đây.Lĩnh vực vi bao bọc

protein đang đượcphát triển, là sự bao bọc nguyên liệu trongvỏ bọc có kích thước
vài micromet, có nhiềuứng dụng quan trọng trongcác lĩnhvực như phẩmmàu,
mùi vị, hươngthơm, hệ thống tiết chậm dược phẩm khivào cơ thể và là tác nhân
chuẩn đoán y khoa.
Một ứngdụng khác của siêu âm là điều chế kim loại dạng vô định hình.Siêu
âm có thể làm lạnh nhanhkim loạinóng chảy, làmkim loại chuyển từ lỏng sang
rắn trước khinó chuyển sang dạng kết tinh. Kim loại vô định hình có những đặc
tính khác thường về dẫn điện, từ tínhvà kháng ănmòn. Tuy nhiên trở ngại lớn là
muốn tạo được kim loại vô định hình thì tốc độ làm lạnh phải cực kỳ nhanh,tốc độ
đòi hỏi làxấp xỉ 1000 000K/giây. Tốc độ làm lạnhkhi ngâm thanh sắtnóng đỏ vào
bồn nước chỉ 2500K/giây. Và siêu âm là giảipháp cho vấn đề này, Suslick, S B.
Choe, A. A.Cichowlas vàM. W. Grinstaffđã sử dụngsiêu âmđể tổnghợp bột kim
loại vô địnhhình bằng cách phânhủy hợp chất hữucơ kim loại dễ bay hơi. Khám
phá nàyđã mở ra ứng dụng mới củasiêu âmlà tổng hợp những phađặcbiệt ở
nhiệt độ thấp. Ví dụ, pentacarbonylsắt phân hủy với siêu âm chora sắtvô định
hình gần như tinh chất.
Ảnh SEMcho thấy nhữngmặt gãydạng vỏ sò (có những mặt congđều , đặc
trưng chovật liệu vô địnhhình),ảnhphóng đạicho thấy bề mặt là tập hợp nhiều
trạngthái xốpdạng tổ ong dosự kết tụ nhiều cụmnhỏ.
Sử dụng siêu âmtrong xúctác. Phảnứng cóxúc tác thì rất quantrọng trong
cả phòngthí nghiệm và ứngdụngtrong côngnghiệp. Xúctác làm tăng tốc độ phản
ứng mà không cần phải tăngnồng độ tác chất. Phản ứng xúc tác thường chialàm
hai loại : xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể. Cả hailoại phảnứng xúc tác đềucó
chung một vấnđề khó khăn là hoạt tínhcủa xúctác cao hay thấp và việcgiữ hoạt
tính xúc tác trongthời gianbao lâu.
Siêuâm là mộtứng dụng rất quan trọng trong cả hai xúc tác đồng thể và dị
thể. Xúc tác dị thể thì thường được ứng dụng trong côngnghiệp nhiều hơn xúc tác
đồngthể. Ví dụ, trong côngnghiệpkhia thác dầu mỏ thì một loạt nhữngsự chuyển
hóa xúc tác dị thể được thựchiện liên tục. Xúc tác cũngđượcsử dụng trong xe hơi
để chuyển hóakhí thải làm hạn chế ô nhiễm. Xúc tác thườnglà nhữngkim loại

hiếm và đắt, platinum(Pt) hoặc rhodium(Rh) rất đắttiền, rhodiumgiá khoảng
1500 $ đô la trên mộtao xơ (28,35g).Vì thế sử dụng siêu âm hyvọng làm tăng
hoạt tính,giá thấp hơn kimloại.
Sự tạo-vỡ bọt làkết quả của sự tập hợp năng lượngkhổng lồ. Nănglượng
sóng siêu âm tạo nên hiện tượng vỡ bọt, hiệntượng này giải phóngmộtnăng
lượng gấp mộtnghìn tỉ lần năng lượng củasóng cung cấp. Nó tạo ra một nhiệt độ
cực cao và áp suấtcực lớn. Cavitationmở ra cơ sở nghiên cứu hóa họcvà vật lý
dướiđiều kiệnphản ứng khắc nghiệt. Sonochemistryđưa ra hướngnghiêncứu
tương tác giữanăng lượng và vật chất. Hơnnữa, siêuâm có một loạt cácứng dụng
trong công nghiệp như tạo hệ nhũ tương, loại khí bằng dung môi,tạo hệ phân tán
rắn, tạo hệ keo. Nó cũngrất quan trọng trong các quá trìnhxử lýchất rắn như cắt,
hàn, làmsạch, kết tụ.
Trongtương lai, việc sử dụng siêuâm để điều khiển phản ứng hóa học sẽ rất
đa dạng.Nó sẽ trở thành côngcụ phổ biến gần như trong bấtcứ phản ứng nào có
sự hiệndiện của một chất rắn và một chấtlỏng. Ví dụ trong sản xuấtdược phẩm,
siêu âmsẽ làm tănghiệu suất và dễ dàng sử dụng chomột hệ thống lớnnhư trong
công nghiệp. Tronglĩnhvực phát triển xúctác, siêu âm tạo rađược bề mặt có diện
tích lớn vì thế làm tănghoạt tínhcủa chấtxúc tác. Siêu âm còn tạo được vật liệu
với nhữngđặc tínhđặc biệt. Nhiệt độ caovà áp suất lớn, kết hợp với tốc độ làm
lạnh nhanh cho phép những nhà nghiên cứu tổnghợp được nhữngchất rắnđặc
biệt mà khôngthể điều chế được bằng nhữngcon đườngkhác. Và một tínhhiệu lạc
quan là siêu âmsẽ tìm thấy được nền công nghiệp ứngdụng quan trọngtrong
tương lai.