التجويف بالموجات فوق الصوتية في السوائل

التجويف بالموجات فوق الصوتية هو القوة الدافعة وراء معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة. عند إقران موجات فوق صوتية قوية بسائل، تتشكل فقاعات بخار مجهرية وتنمو وتنهار بعنف. ويولّد هذا التجويف الصوتي قوى قص موضعية شديدة، ونفاثات دقيقة، وموجات صدمية، وتغيرات في الضغط، وتأثيرات مزج على المستوى الدقيق يمكنها تسريع التجانس والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص وإزالة الغازات وتفكيك الخلايا والتفاعلات الكيميائية الصوتية.

تستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من النوع المسباري من Hielscher التجويف الصوتي المتحكم فيه لنقل الطاقة فوق الصوتية مباشرة إلى السوائل والمعلّقات والمعلّقات الكثيفة. وتتيح أنظمة Hielscher، من العينات المختبرية الصغيرة إلى الإنتاج الصناعي المستمر بالتدفق عبر النظام، ضبط السعة وهندسة السونوترود والضغط ودرجة الحرارة ومعدل التدفق وزمن المكوث للحصول على نتائج تجويف قابلة للتكرار.

• للمختبرات: تطوير معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتحسينها في أحجام صغيرة.
• للمنشآت التجريبية: التحقق من صلاحية العمليات المدفوعة بالتجويف في ظل ظروف معالجة واقعية.
• للإنتاج: توسيع نطاق التجويف بالموجات فوق الصوتية ليشمل عمليات الدفعات أو إعادة التدوير أو المعالجة المستمرة ضمن خط الإنتاج.

مبدأ عمل التجويف بالموجات فوق الصوتية

عند معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية بشدة عالية، تؤدي الموجات الصوتية التي تنتشر في الأوساط السائلة إلى دورات متناوبة من الضغط المرتفع (الانضغاط) والضغط المنخفض (التخلخل)، بمعدلات تعتمد على التردد. وخلال دورة الضغط المنخفض، تنشئ الموجات فوق الصوتية عالية الشدة فقاعات فراغية صغيرة أو تجاويف في السائل. وعندما تبلغ الفقاعات حجماً لا يمكنها عنده امتصاص المزيد من الطاقة، تنهار بعنف خلال دورة الضغط المرتفع. وتُسمى هذه الظاهرة التجويف. وأثناء الانهيار الداخلي، تُبلغ موضعياً درجات حرارة مرتفعة جداً (نحو 5,000K) وضغوط مرتفعة جداً (نحو 2,000atm). كما يؤدي الانهيار الداخلي لفقاعة التجويف إلى توليد نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280m/s.

يولّد التجويف الصوتي (الناتج عن الموجات فوق الصوتية عالية القدرة) ظروفاً موضعية قصوى، تُعرف بالتأثيرات الميكانيكية الصوتية والكيميائية الصوتية. وبفضل هذه التأثيرات، تعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية التفاعلات الكيميائية، مما يؤدي إلى زيادة المردود وتسريع التفاعل وظهور مسارات جديدة وتحسين الكفاءة الإجمالية.

التطبيقات الرئيسية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية والتجويف الصوتي

تولّد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من النوع المسباري، المعروفة أيضاً بالمسبارات فوق الصوتية، تجويفاً صوتياً شديداً في السوائل بكفاءة. ولذلك، تُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات متنوعة عبر صناعات مختلفة. وتشمل بعض أهم تطبيقات التجويف الصوتي الناتج عن أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من النوع المسباري ما يلي:
 

1. التجانس: يمكن للمسبارات فوق الصوتية توليد تجويف شديد يتسم بكونه مجالاً عالي الكثافة الطاقية من الاهتزاز وقوى القص. وتوفر هذه القوى مزجاً وخلطاً ممتازين وتقليلاً لحجم الجسيمات. وينتج التجانس بالموجات فوق الصوتية معلّقات ممزوجة بصورة متجانسة. ولذلك، تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية لإنتاج معلّقات غروية متجانسة ذات منحنيات توزيع ضيقة.
2. تشتيت الجسيمات النانوية: تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتشتيت الجسيمات النانوية وتفكيك تكتلاتها وطحنها رطباً. ويمكن للموجات فوق الصوتية منخفضة التردد توليد تجويف قوي التأثير يفكك التكتلات ويقلل حجم الجسيمات. وعلى وجه الخصوص، يسرّع القص الشديد الناتج عن النفاثات السائلة الجسيمات في السائل، فتتصادم فيما بينها (تصادم بين الجسيمات)، مما يؤدي إلى تكسّرها وتآكلها. وينتج عن ذلك توزيع متجانس ومستقر للجسيمات يمنع الترسب. وهذا أمر بالغ الأهمية في مجالات متنوعة، منها تقنية النانو وعلوم المواد والمستحضرات الصيدلانية.
3. الاستحلاب والمزج: تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من النوع المسباري لإنشاء المستحلبات ومزج السوائل. وتسبب الطاقة فوق الصوتية التجويف، أي تشكّل الفقاعات المجهرية وانهيارها، مما يولّد قوى قص موضعية شديدة. وتساعد هذه العملية على استحلاب السوائل غير القابلة للامتزاج، منتجةً مستحلبات مستقرة ومشتتة بدقة.
4. الاستخلاص: بفضل قوى القص الناتجة عن التجويف، تتمتع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بكفاءة عالية في تفكيك البنى الخلوية وتحسين انتقال الكتلة بين الطورين الصلب والسائل. ولذلك، يُستخدم الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع لتحرير المواد داخل الخلايا، مثل المركبات النشطة حيوياً، لإنتاج مستخلصات نباتية عالية الجودة.
5. إزالة الغازات وإزالة الهواء: تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من النوع المسباري لإزالة فقاعات الغاز أو الغازات المذابة من السوائل. ويعزز تطبيق التجويف بالموجات فوق الصوتية اندماج فقاعات الغاز، فتزداد حجماً وتطفو إلى سطح السائل. ويجعل التجويف بالموجات فوق الصوتية إزالة الغازات إجراءً سريعاً وفعالاً. وهذا ذو قيمة في صناعات متنوعة، مثل الدهانات والسوائل الهيدروليكية أو معالجة الأغذية والمشروبات، حيث يمكن لوجود الغازات أن يؤثر سلباً في جودة المنتج واستقراره.
6. التحفيز الصوتي: يمكن استخدام المسبارات فوق الصوتية في التحفيز الصوتي، وهو عملية تجمع بين التجويف الصوتي والمحفزات لتعزيز التفاعلات الكيميائية. ويحسن التجويف الناتج عن الموجات فوق الصوتية انتقال الكتلة، ويزيد معدلات التفاعل، ويعزز إنتاج الجذور الحرة، مما يؤدي إلى تحولات كيميائية أكثر كفاءة وانتقائية.
7. تحضير العينات: تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من النوع المسباري عادةً في المختبرات لتحضير العينات. وتُستخدم لإجراء التجانس وتفكيك التجمعات والاستخلاص في العينات البيولوجية، مثل الخلايا والأنسجة والفيروسات. وتفكك الطاقة فوق الصوتية الناتجة عن المسبار الأغشية الخلوية، فتُحرر محتويات الخلايا وتيسّر التحليل اللاحق.
8. التفتيت وتفكيك الخلايا: تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من النوع المسباري لتفتيت الخلايا والأنسجة وتفكيكها لأغراض متنوعة، مثل استخلاص المكونات داخل الخلايا أو تعطيل الأحياء الدقيقة أو تحضير العينات للتحليل. وتسبب الموجات فوق الصوتية عالية الشدة والتجويف الناتج عنها إجهاداً ميكانيكياً وقوى قص، مما يؤدي إلى تفتيت البنى الخلوية. وفي الأبحاث البيولوجية والتشخيص الطبي، تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من النوع المسباري لتحليل الخلايا، وهو عملية فتح الخلايا بتفكيكها لتحرير مكوناتها الداخلية. وتفكك الطاقة فوق الصوتية جدران الخلايا وأغشيتها وعُضيّاتها، مما يتيح استخلاص البروتينات وDNA وRNA وغيرها من المكونات الخلوية.

 
هذه بعض التطبيقات الرئيسية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من النوع المسباري، لكن هذه التقنية لها نطاق أوسع من الاستخدامات الأخرى، بما في ذلك الكيمياء الصوتية وتقليل حجم الجسيمات (الطحن الرطب) وتخليق الجسيمات من الأسفل إلى الأعلى والتخليق الصوتي للمواد الكيميائية والمواد في صناعات متنوعة، مثل المستحضرات الصيدلانية ومعالجة الأغذية والتقنية الحيوية والعلوم البيئية.

تسلسل عالي السرعة من الإطارات (من a إلى f) يوضح التقشير الميكانيكي الصوتي لرقيقة من الغرافيت في الماء باستخدام UP200S، وهو جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 200W ومزود بسونوترود مقاسه 3-mm. توضح الأسهم موضع انشطار الجسيمات مع اختراق فقاعات التجويف للشق.
© Tyurnina et al. 2020

يعطيك الجدول أدناه مؤشراً على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:

فيديو للتجويف الصوتي في سائل

يوضح الفيديو التالي التجويف الصوتي عند Cascatrode الخاص بجهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hdT في عمود زجاجي مملوء بالماء. ويُضاء العمود الزجاجي من الأسفل بضوء أحمر لتحسين إظهار فقاعات التجويف.