کاویتاسیون التراسونیک در اثر انتشار امواج قدرتمند التراسونیک در محیط مایع ایجاد می گردد. کاویتاسیون اثرات بسیاری را به صورت محلی ایجاد می‌کند، مانند جت‌های مایع با سرعت تا 1000 کیلومتر در ساعت، فشارهای تا 2000 آتمسفر و دماهای تا 5000 کلوین. این نیروهای به دست آمده به کمک التراسونیک برای بسیاری از کاربردهای پردازش مایع مانند همگن‌سازی، پراکندگی، امولسیون‌سازی، استخراج، تخریب سلولی، و همچنین تشدید واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شود.
کاویتاسیون التراسونیک چیست؟
هنگام تابش موج‌های التراسونیک با شدت بالا درون مایعات، موج‌های فراصوتی که درون محیط مایع پخش می‌شوند منجر به تولید چرخه‌های فشار بالا (انقباض) و فشار پایین (انبساط) می‌شوند، با نرخ‌هایی که به فرکانس بستگی دارد. در چرخه فشار پایین، موج‌های فراصوتی با شدت بالا حباب های خلائ کوچک یا حفره هایی در مایع ایجاد می‌کنند. وقتی حباب‌ها به حجمی می‌رسند که دیگر نتوانند انرژی جذب کنند، در طول چرخه فشار بالا به طور شدیدی متلاشی می‌شوند. این پدیده به نام کاویتاسیون شناخته می‌شود. در حین انفجار دماهای بسیار بالا (تقریبا 5،000 کلوین) و فشارهای بسیار بالا (تقریبا 2،000 آتمسفر) به صورت محلی دست یافته می‌شود. انفجار حباب کاویتاسیون موجب ایجاد جت‌های مایع با سرعت تا 280 متر در ثانیه هم می‌شود.
کاویتاسیون التراسونیک(ایجاد شده توسط اولتراسونیک توان بالا) شرایط محلی بسیار شدیدی ایجاد می‌کند، به اصطلاح اثرات سونومکانیکی و سونوشیمیایی. به دلیل این اثرات، سونیکیشن واکنش‌های شیمیایی را ترویج می‌دهد که منجر به بهره‌وری بالاتر، سرعت واکنش سریعتر، مسیر‌های جدید و بهبود کلی کارایی می‌شود.
کاربردهای کلیدی التراسونیک هموژنایزر بر اساس کاویتاسیون
اولتراسونیک هموژنایزر پروبی (که همچنین با نام سونیکاتور اولتراسونیک شناخته می‌شوند)، به طور موثر اقدام به ایجاد کاویتاسیون التراسونیک شدید در مایعات می‌نمایند. به همین دلیل از آنها به طور گسترده‌ای در انواع کاربردها در صنایع مختلف استفاده می‌شود. برخی از مهم‌ترین کاربردهای کاویتاسیون التراسونیک توسط اولتراسونیک‌های پروبی عبارتند از:
همگن‌سازی: التراسونیک هموژنایزرها می‌توانند کاویتاسیون التراسونیک شدیدی ایجاد کنند که به عنوان یک میدان سرشار از انرژی و نیروهای برشی شناخته می‌شود. این نیروها باعث اختلاط کامل و کاهش اندازه ذرات می‌شود. همگن‌سازی التراسونیک مخلوط‌های یکنواختی را ایجاد می‌کند. بنابراین، با استفاده از سونیکیشن، از جهت تولید محلول‌های کلوئیدی همگن با منحنی‌های توزیع باریک استفاده می‌شود.
پراکنده‌سازی نانوذرات: التراسونیک هموژنایزر برای پراکنده‌سازی، کلوخه زدایی و خردایش تر بلورها استفاده می‌شوند. موج‌های فراصوتی با فرکانس پایین می‌توانند کاویتاسیون التراسونیک مؤثری ایجاد کنند که کلوخه‌ها را تجزیه و اندازه ذرات را کاهش می‌دهد. به خصوص نیروی برشی بالای جت‌های مایع، ذرات را در مایع تسریع داده و با یکدیگر برخورد می دهد (برخورد میان‌ذره‌ای) تا ذرات در نتیجه شکسته و ساییده شوند. این منجر به توزیع یکنواخت و پایدار ذرات می‌شود که از رسوب جلوگیری می‌کند. این امر در زمینه‌های مختلف از جمله نانوتکنولوژی، علم مواد و داروسازی حیاتی است. برای مطالعه بیشتر در مورد دیسپرس نانوذرات کلیک کنید.
امولسیون سازی و اختلاط: التراسونیک‌های پرابی برای ایجاد امولسیون و مخلوط کردن مایعات استفاده می‌شوند. انرژی التراسونیک باعث کاویتاسیون التراسونیک، ایجاد و فروپاشی حباب‌های میکروسکوپی می‌شود که نیروهای برشی محلی شدیدی ایجاد می‌کند. این فرایند در امولسیون کردن مایعات نامحلول کمک می‌کند در نتیجه امولسیون‌های پایدار و به طور خوب پراکنده تولید می‌کند. برای مطالعه بیشتر در مورد امولسیون سازی به کمک التراسونیک کلیک کنید.
عصاره گیری و استخراج: به دلیل نیروهای برشی کاویتاسیون ، اولتراسونیکهموژنایزرها در خرد کردن ساختارهای سلولی بسیار کارآمد هستند و برای بهبود انتقال جرم بین جامد و مایع استفاده می‌شوند. بنابراین، استخراج اولتراسونیک به طور گسترده برای آزاد کردن مواد داخل‌سلولی مانند ترکیبات بایوفعال برای تولید عصاره‌های گیاهی با کیفیت بالا استفاده می‌شود.
دی گس و گاززدایی: سونیکاتورهای پروبی برای حذف حباب‌های گاز یا گازهای حل شده از مایعات استفاده می‌شوند. به کارگیری کاویتاسیون التراسونیک تشویق به اتحاد حباب‌های گازی باعث رشد و شناور شدن آنها به بالای مایع می‌شود. کاویتاسیون التراسونیک باعث می‌شود عملیات حذف گازی یک روند سریع و کارآمد باشد. این امر در صنایع مختلفی مانند رنگ، مایعات هیدرولیک یا پردازش مواد غذایی و نوشیدنی، که حضور گازها ممکن است بر کیفیت و پایداری محصول تاثیر منفی بگذارد، ارزشمند است.
سونوکاتالیز: اولتراسونیک هموژنایزر برای سونوکاتالیز استفاده می‌شوند، یک فرآیند که کاویتاسیون را با کاتالیزگرها ترکیب می‌کند تا واکنش‌های شیمیایی را بهبود بخشد. کاویتاسیونیکه توسط امواج اولتراسونیک تولید می‌شود، انتقال جرم را بهبود می‌بخشد، نرخ واکنش‌ها را افزایش می‌دهد و تولید رادیکال‌های آزاد را ترویج می‌کند که به واکنش‌های شیمیایی کارآمدتر و انتخابی منجر می‌شود.
آماده‌سازی نمونه:سونیکاتورها به طور رایج در آزمایشگاه‌ها برای آماده‌سازی نمونه‌ها استفاده می‌شوند. آنها برای همگن کردن، جدا کردن و استخراج نمونه‌های بیولوژیکی مانند سلول‌ها، بافت‌ها و ویروس‌ها استفاده می‌شوند. انرژی اولتراسونیک توسط پراب ایجاد شده، غشاء‌های سلولی را تخریب کرده و محتواهای سلولی را آزاد کرده و انحلال بیشتر را تسهیل می‌کند.
تخریب و تجمع زدایی سلول: اولتراسونیک هموژنایزر نوع پروب برای تجمع‌زدایی و تخریب سلول‌ها و بافت‌ها برای اهداف مختلفی مثل استخراج مولفه‌های داخل‌سلولی، از کار انداختن میکروب‌ها، یا آماده‌سازی نمونه برای تجزیه و تحلیل استفاده می‌شوند. امواج التراسونیک با شدت بالا و تولید کاویتاسیون باعث استرس مکانیکی و نیروهای برشی می‌شوند که منجر به تخریب ساختار سلولی می‌شوند. در تحقیقات زیست‌شناسی و تشخیص پزشکی،سونیکاتورهای نوع پروب برای لیز سلولی استفاده می‌شوند، فرایندی که به تکه کردن سلول‌ها برای آزادسازی مولفه‌های داخل‌سلولی آنها منجر می‌شود. انرژی اولتراسونیک سطح سلول‌ها، غشاها و آلی‌ها را مختل می‌سازد و از این رو، استخراج پروتئین‌ها، DNA، RNA و دیگر مواد سلولی امکان‌پذیر است. برای مطالعه بیشتر در مورد تخریب سلولی با التراسونیک کلیک کنید.
آنچه ذکر شد، تعدادی از کاربردهای اصلی التراسونیک هموژنایزر است، اما این فناوری در دامنه گسترده‌تری از کاربردهای دیگر نیز کاربرد دارد که شامل سونوشیمی، کاهش اندازه ذرات (میل کردن در محیط مرطوب)، سنتز ذرات (پایین به بالا)، و سونوسنتز مواد و مواد شیمیایی در صنایع مختلفی مانند داروسازی، پردازش مواد غذایی، بیوتکنولوژی، و علوم زیست محیطی است.
یک توالی سریع از فریم‌ها (از a تا f) که نمایش دهنده لایه برداری سونومکانیکی یک پرک گرافیت در آب با استفاده از دستگاه التراسونیک هموژنایزر آزمایشگاهی با سونوترود 3 میلیمتری می‌باشد. فلش‌ها مکان تقسیم ذرات را نشان می‌دهند که حباب‌های کاویتاسیون باعث نفوذ و تقسیم شدن می‌شوند. © Tyurnina و همکاران 2020
