粒子処理のための高出力超音波：アプリケーションノート

粒子の特性を十分に発揮させるには、粒子表面を利用できるように、粒子を解凝集して均一に分散させる必要があります。強力な超音波による力は、粒子をサブミクロンおよびナノサイズにまで微細化する信頼性の高い分散・粉砕手段として知られています。さらに、超音波処理によって、例えばナノ粒子を金属層で被覆するなど、粒子の改質や機能化が可能になります。

以下に、粒子と液体の例を、それぞれに関連する推奨事項とともに紹介します。超音波ホモジナイザーを使用して粒子を粉砕、分散、解凝集または改質するための材料処理方法を説明します。

強力な超音波処理による粉末・粒子の調製方法。

アルファベット順：

Aerosil

超音波の用途：
シリカAerosil OX50粒子のMillipore水（pH 6）中の分散液は、粉末5.0 gを水500 mLに分散させ、高強度超音波プロセッサー UP200S （200W; 24kHz）を使用して調製しました。シリカ分散液は、蒸留水溶液（pH = 6）中で UP200S による超音波照射を15 min行い、その後1 h激しく撹拌して調製しました。pHの調整にはHClを使用しました。分散液の固形分含有量は0.1% (w/v)でした。
推奨装置：
UP200S
参考文献／研究論文：
Licea-Claverie, A.; Schwarz, S.; Steinbach, Ch.; Ponce-Vargas, S. M.; Genest, S. (2013)：微細シリカ分散液の凝集における天然ポリマーと温度応答性ポリマーの組み合わせ。International Journal of Carbohydrate Chemistry 2013.

Al₂O₃–水ナノ流体

超音波の用途：
Al₂O₃–水ナノ流体は、以下の手順で調製できます。まず、デジタル電子天秤でAl₂O₃ ナノ粒子の質量を測定します。次に、秤量した蒸留水にAl₂O₃ ナノ粒子を徐々に加え、Al₂O₃–水混合物を撹拌します。混合物を1h連続的に超音波処理するため、プローブ型超音波装置 UP400S （400W, 24kHz）を使用し、蒸留水中にナノ粒子を均一に分散させます。
ナノ流体は、異なる割合（0.1%、0.5%、1%）で調製できます。界面活性剤の添加やpHの変更は不要です。
推奨装置：
UP400S
参考文献／研究論文：
Isfahani, A. H. M.; Heyhat, M. M. (2013)：多孔質媒体としてのマイクロモデルにおけるナノ流体の流れに関する実験的研究。International Journal of Nanoscience and Nanotechnology 9/2, 2013. 77–84.

酸化アルミニウム（Al2O3）の超音波分散によって、粒子径の大幅な縮小と均一な分散が得られます。

Bohemiteで被覆したシリカ粒子

超音波の用途：
シリカ粒子をベーマイト層で被覆します。有機物を含まない完全に清浄な表面を得るため、粒子を450°Cに加熱します。凝集体をほぐすために粒子を粉砕した後、6 vol%の水性懸濁液（≈70 ml）を調製し、アンモニウム溶液を三滴加えてpH 9で安定化させます。次に、懸濁液の超音波処理による解凝集に UP200S を用いて振幅100%（200 W）で5 min超音波処理し、懸濁液を解凝集します。溶液を85°Cより高い温度に加熱した後、アルミニウムsec-ブトキシド12.5 gを添加しました。温度を85–90°Cに90 min維持し、全工程を通してマグネチックスターラーで懸濁液を撹拌します。その後、40°C未満に冷却されるまで懸濁液の連続撹拌を続けます。次に、塩酸を添加してpH値を3に調整しました。その直後、氷浴中で懸濁液を超音波処理します。粉末は希釈し、その後遠心分離することで洗浄します。上清を除去した後、粒子を120°Cの乾燥炉で乾燥させます。最後に、粒子を300°Cで3時間熱処理します。
推奨装置：
UP200S
参考文献／研究論文：
Wyss, H. M. (2003)：濃厚粒子ゲルの微細構造と機械的挙動。学位論文、Swiss Federal Institute of Technology 2003. p.71.

カドミウム(II)–チオアセトアミドナノ複合体の合成

超音波の用途：
ポリビニルアルコールの存在下および非存在下で、ソノケミカル法によりカドミウム(II)–チオアセトアミドナノ複合体を合成しました。ソノケミカル合成（超音波合成）では、酢酸カドミウム(II)二水和物（Cd(CH3COO)2.2H2O）0.532 g、チオアセトアミド（TAA, CH3CSNH2）0.148 g、ヨウ化カリウム（KI）0.664 gを二重蒸留脱イオン水20mLに溶解しました。この溶液を、高出力プローブ型超音波処理装置 UP400S （24 kHz, 400W）で室温にて1 h超音波処理しました。反応混合物の超音波処理中、鉄–constantin熱電対で測定した温度は70–80degCに上昇しました。一時間後、鮮黄色の沈殿が形成されました。これを遠心分離（4,000 rpm, 15 min）で単離し、残留不純物を除去するために二重蒸留水、次いで無水エタノールで洗浄し、最後に空気中で乾燥させました（収量：0.915 g、68%）。分解点（Dec. p.200°C）。ポリマーナノ複合体の調製では、ポリビニルアルコール1.992 gを二重蒸留脱イオン水20 mLに溶解し、上記の溶液に添加しました。この混合物に UP400S で1 h超音波を照射すると、鮮橙色の生成物が形成されました。
SEMの結果から、PVAの存在下では粒子径が約38 nmから25 nmに減少することが示されました。次に、ポリマーナノ複合体であるカドミウム(II)–チオアセトアミド/PVAを前駆体として熱分解し、球状形態を持つ六方晶CdSナノ粒子を合成しました。CdSナノ粒子の粒子径をXRDとSEMの両方で測定したところ、結果は互いに非常によく一致しました。
Ranjbarら（2013）は、ポリマー性Cd(II)ナノ複合体が、興味深い形態を持つ硫化カドミウムナノ粒子の調製に適した前駆体であることも見いだしました。すべての結果は、高温、長い反応時間、高圧などの特別な条件を必要とせず、ナノスケール材料を合成するための簡便で効率的、低コスト、環境に優しく、非常に有望な方法として、超音波合成を成功裏に利用できることを示しました。
推奨装置：
UP400S
参考文献／研究論文：
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013)：カドミウム–チオアセトアミドナノ複合体の合成と特性評価。Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO₃

超音波の用途：
ナノ沈降CaCO₃ （NPCC）のポリマー中での分散性を改善し、凝集を低減するため、ステアリン酸による超音波被覆を行いました。2gの未被覆のナノ沈降CaCO₃ （NPCC）の超音波処理には、 UP400S を用いてエタノール30ml中で超音波処理しました。ステアリン酸9 wt%をエタノールに溶解しました。その後、staeric酸を含むエタノールを、超音波処理した懸濁液と混合しました。
推奨装置：
UP400S 、直径22mmのソノトロード（H22D）および冷却ジャケット付きフローセルを装備
参考文献／研究論文：
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009)：ナノ沈降CaCO3のステアリン酸被覆における超音波の効果。Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

セルロースナノ結晶

超音波の用途：
ユーカリセルロースから調製したセルロースナノ結晶（CNC）：ユーカリセルロースから調製したセルロースナノ結晶を、メチルアジポイルクロリドとの反応によってCNCmに、または酢酸と硫酸の混合物との反応によってCNCaに改質しました。そのため、凍結乾燥したCNC、CNCm、CNCaを純溶媒（EA、THFまたはDMF）中に0.1 wt%で再分散させ、24 ± 1 degCで一晩磁気撹拌した後、20 minの超音波処理にプローブ型超音波処理装置 UP100Hを使用しました。超音波処理の強度は130 W/cm² 、温度は24 ± 1 degCでした。その後、最終ポリマー濃度が0.9 wt%になるようにCNC分散液にCABを添加しました。
推奨装置：
UP100H
参考文献／研究論文：
Blachechen, L. S.; de Mesquita, J. P.; de Paula, E. L.; Pereira, F. V.; Petri, D. F. S. (2013)：セルロースナノ結晶のコロイド安定性とセルロースアセテートブチレートマトリックス中での分散性の相互関係。Cellulose 20/3, 2013. 1329–1342.

硝酸セリウムをドープしたシラン

超音波の用途：
冷間圧延炭素鋼パネル（6.5cm 6.5cm 0.3cm；化学洗浄および機械研磨済み）を金属基材として使用しました。被覆の塗布に先立ち、パネルをアセトンで超音波洗浄し、その後アルカリ溶液（0.3molL 1 NaOH溶液）で60°Cにて10 min洗浄しました。プライマーとして使用するため、基材の前処理に先立ち、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（γ-GPS）50部を含む一般的な配合物をメタノール約950部で希釈し、pH 4.5（酢酸で調整）でシランを加水分解させました。硝酸セリウム顔料をドープしたシランの調製手順も同じですが、（γ-GPS）の添加前に硝酸セリウム1、2、3 wt%をメタノール溶液に加え、その後、この溶液を室温でプロペラ撹拌機により1600 rpmで30 min混合しました。次に、外部冷却浴を使用して、硝酸セリウムを含む分散液を40°Cで30 min超音波処理しました。超音波処理には、超音波処理装置 UIP1000hd （1000W, 20 kHz）を使用し、入力超音波出力を約1 W/mLとしました。基材の前処理は、適切なシラン溶液で各パネルを100 secすすぐことで行いました。処理後、パネルを室温で24 h乾燥させ、次いで前処理済みパネルに二液型アミン硬化エポキシ（Epon 828, shell Co.）を塗布し、湿潤膜厚を90μmにしました。エポキシ被覆パネルを115°Cで1h硬化させました。エポキシ被覆の硬化後、乾燥膜厚は約60μmでした。
推奨装置：
UIP1000hd
参考文献／研究論文：
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013)：硝酸セリウムを含むシラン前処理がエポキシ被覆鋼の陰極剥離特性に及ぼす電気化学的影響。Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

粘土：分散／分画

超音波の用途：
粒径分画：1–2 μmの粒子から1 μm未満の粒子を単離するため、粘土サイズの粒子（2 μm未満）を超音波場で分離し、その後、異なる沈降速度を適用して分離しました。
粘土サイズの粒子（2 μm未満）の分離では、投入エネルギーを300 J mL^-1 （1 min）とし、プローブ型超音波破砕装置 UP200S （200W, 24kHz）に直径7 mmのソノトロードS7を装備して超音波処理しました。超音波照射後、サンプルを110 x g（1000 rpm）で3 min遠心分離しました。次に、沈降相（分画残渣）を低密度画分の単離のための密度分画に使用し、得られた浮遊相（2 μm未満の画分）を別の遠心管に移して440 x g（2000 rpm）で10 min遠心分離し、1 μm未満の画分（上清）を1–2 μmの画分（沈殿）から分離しました。1 μm未満の画分を含む上清を別の遠心管に移し、1 mLのMgSO₄ を添加した後、1410 x g（4000 rpm）で10 min遠心分離して残りの水をデカンテーションで除去しました。
サンプルの過熱を避けるため、この手順を15回繰り返しました。
推奨装置：
UP200S （S7を装備）または UP200St （S26d7を装備）
参考文献／研究論文：
Jakubowska, J. (2007)：灌漑水の種類が土壌有機物（SOM）の画分と疎水性化合物との相互作用に及ぼす影響。学位論文、Martin-Luther University Halle-Wittenberg 2007.

粘土：無機粘土の剥離

超音波の用途：
被覆用分散液に使用するプルラン系ナノ複合体を調製するため、無機粘土を剥離しました。そのため、一定量のプルラン（湿量基準で4 wt%）を、緩やかに撹拌（500 rpm）しながら25degCの水に1 hかけて溶解しました。同時に、0.2–3.0 wt%の量の粘土粉末を、激しく撹拌（1000 rpm）しながら水中に15分間分散させました。得られた分散液の超音波処理には、 UP400S （出力_max = 400 W；周波数 = 24 kHz）超音波装置を使用しました。装備したチタン製ソノトロードH14の仕様は、先端直径14 mm、振幅_max = 125 μm、表面強度 = 105 Wcm^-2でした。以下の条件で処理しました：0.5サイクル、振幅50%。超音波処理時間は実験計画に従って変更しました。次に、有機プルラン溶液と無機分散液を、緩やかに撹拌（500 rpm）しながらさらに90分間混合しました。混合後、二成分の濃度は0.05–0.75の無機／有機（I/O）比に対応していました。超音波処理前後のNa⁺-MMT粘土の水分散液中における粒径分布を、IKO-Sizer CC-1ナノ粒子分析装置を使用して評価しました。
一定量の粘土に対して最も効果的な超音波処理時間は15分であることが分かりました。一方、より長い超音波処理では、再凝集によりP’O₂ 値が増加しますが、最長の超音波処理時間（45 min）では再び減少します。これは、おそらく板状粒子とタクトイドの両方が微細化するためです。
Introzziの学位論文で採用された実験設定に基づくと、単位量当たりのエネルギー出力725 Ws mL^-1 が15分間の処理に対して算出された一方、超音波処理時間を45分に延長すると、単位量当たりのエネルギー消費量は2060 Ws mL^-1となりました。これにより、工程全体でかなり多くのエネルギーを節約できると考えられ、その効果は最終的に処理量当たりのコストに反映されます。
推奨装置：
UP400S 、ソノトロードH14を装備
参考文献／研究論文：
Introzzi, L. (2012)：食品包装用途向け高性能バイオポリマー被覆の開発。学位論文、University of Milano 2012.

導電性インク

超音波の用途：
混合溶媒中でCu+C粒子とCu+CNT粒子を分散剤とともに分散させ、導電性インクを調製しました（論文IV）。分散剤には、BYK Chemie GmbHの水性カーボンブラック顔料分散液向け高分子量分散剤DISPERBYK-190、DISPERBYK-198、DISPERBYK-2012の三種類を使用しました。主溶媒には脱イオン水（DIW）を使用しました。共溶媒には、エチレングリコールモノメチルエーテル（EGME）（Sigma-Aldrich）、エチレングリコールmonobuthylエーテル（EGBE）（Merck）、n-プロパノール（Honeywell Riedel-de Haen）を使用しました。
混合懸濁液を氷浴中で10分間超音波処理するため、 UP400S 超音波プロセッサーを使用しました。その後、懸濁液を一時間静置して沈降させ、デカンテーションを行いました。スピンコーティングまたは印刷に先立ち、懸濁液を超音波浴で10 min超音波処理しました。
推奨装置：
UP400S
参考文献／研究論文：
Forsman, J. (2013)：水素還元によるCo、Ni、Cuナノ粒子の製造。学位論文、VTT Finland 2013.

超音波処理は、インクジェットインク中の顔料の粒子径縮小と分散に非常に効率的です。

銅phathlocyanine

超音波の用途：
金属フタロシアニンの分解
銅phathlocyanine（CuPc）を、水および有機溶媒とともに、触媒としての酸化剤の存在下、周囲温度および大気圧で超音波処理します。使用するのは500W超音波処理装置 UIP500hd で、フロースルーチャンバーを装備しています。超音波処理強度：37–59 W/cm²、サンプル混合物：サンプル5 mL（100 mg/L）、choloformとピリジンを含むD/D水50、超音波振幅60%。反応温度：大気圧で20°C。
50 min以内の超音波処理で、分解率は最大95%です。
推奨装置：
UIP500hd

ジブチリルキチン（DBCH）

超音波の用途：
長いポリマー高分子は超音波処理によって切断できます。超音波を利用したモル質量の低減により、望ましくない副反応や副生成物の分離を回避できます。超音波による分解は、化学分解や熱分解とは異なり、分子のおおよそ中央で切断が起こる非ランダムな過程であると考えられています。このため、より大きな高分子ほど速く分解します。
実験には超音波発生装置 UP200S を使用し、ソノトロードS2を装備しました。超音波の入力出力は150 Wに設定しました。ジブチリルキチン濃度0.3 g/100 cm3、体積25 cm3のジメチルアセトアミド溶液を使用しました。ソノトロード（超音波プローブ／ホーン）を、ポリマー溶液の液面から30 mm下まで浸漬しました。溶液を25°Cに維持した恒温水浴中に置きました。各溶液に、あらかじめ定めた時間だけ超音波を照射しました。この時間の経過後、溶液を3倍に希釈し、サイズ排除クロマトグラフィー分析に供しました。
提示した結果は、ジブチリルキチンが高出力超音波によって破壊されることはないものの、制御されたソノケミカル反応と理解されるポリマーの分解が起こることを示しています。したがって、超音波はジブチリルキチンの平均モル質量の低減に使用できる可能性があり、重量平均モル質量と数平均モル質量の比についても同様です。観察された変化は、超音波出力と超音波処理時間の増加によって強まります。検討した超音波処理条件下では、初期モル質量もDBCHの分解の程度に大きな影響を及ぼしました。初期モル質量が高いほど、分解の程度は大きくなりました。
推奨装置：
UP200S
参考文献／研究論文：
Szumilewicz, J.; Pabin-Szafko, B. (2006)：Dibuyrylchitinの超音波分解。Polish Chitin Society, Monograph XI, 2006. 123–128.

Ferrocine粉末

超音波の用途：
SWNCNTsを調製するソノケミカル法：シリカ粉末（直径2–5 mm）をp-キシレン中の0.01 mol%フェロセン溶液に添加し、その後、 UP200S にチタン製先端プローブ（ソノトロードS14）を装備して超音波処理します。超音波処理は室温および大気圧で20 min行いました。超音波を利用した合成により、シリカ粉末の表面に高純度SWCNTsが生成されました。
推奨装置：
UP200S 、超音波プローブS14を装備
参考文献／研究論文：
Srinivasan C.(2005)：周囲条件下で単層カーボンナノチューブを合成するSOUND法。Current Science 88/ 1, 2005. 12–13.

フライアッシュ／メタカオリナイト

超音波の用途：
浸出試験：固体サンプル50gに浸出液100mLを加えました。超音波処理強度：最大85 W/cm² 、使用装置は UP200S 、水浴温度は20°Cでした。
ジオポリマー化：スラリーを UP200S 超音波ホモジナイザーで混合し、ジオポリマー化を行いました。超音波処理強度は最大85 W/cm²でした。冷却のため、超音波処理は氷水浴中で行いました。
ジオポリマー化に高出力超音波を適用すると、形成されるジオポリマーの圧縮強度が増加し、一定の時間までは超音波処理時間の増加に伴って強度も増加します。超音波処理によって、重縮合のためのゲル相により多くのAlとSiが放出されるため、アルカリ溶液中のメタカオリナイトとフライアッシュの溶解が促進されました。
推奨装置：
UP200S
参考文献／研究論文：
Feng, D.; Tan, H.; van Deventer, J. S. J. (2004)：超音波によるジオポリマー化の促進。Journal of Materials Science 39/2, 2004. 571–580

グラフェン

超音波の用途：
Stenglら（2011）は、グラフェンナノシートとチタニアペルオキソ錯体を含む懸濁液の熱加水分解によって非化学量論的TiO₂ –グラフェンナノ複合体を製造する研究で、純粋なグラフェンシートを大量に製造できることを示しました。純粋なグラフェンナノシートは、天然グラファイトから、1000W超音波プロセッサー UIP1000hd を用い、5 bargの高圧超音波反応チャンバー内で高出力超音波処理することによって製造しました。得られたグラフェンシートは、高い比表面積と独特の電子特性を特徴としています。研究者らは、超音波で調製したグラフェンの品質は、グラファイトを剥離・酸化するHummer法で得られるグラフェンよりもはるかに高いと主張しています。超音波反応器内の物理的条件を精密に制御でき、ドーパントとしてのグラフェン濃度が1 – 0.001%の範囲で変化すると仮定すると、連続システムによる商業規模でのグラフェン製造が可能です。
推奨装置：
UIP1000hd
参考文献／研究論文：
Stengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011)：高性能光触媒としてのTiO2–グラフェンナノ複合体。掲載誌：Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209–25218.
グラフェンの超音波製造・調製について詳しくは、こちらをご覧ください！

酸化グラフェン

超音波の用途：
酸化グラフェン（GO）層は、次の方法で調製しました。酸化グラフェン粉末25mgを脱イオン水200 mlに添加しました。撹拌により、不均一な褐色の懸濁液が得られました。得られた懸濁液を超音波処理（30 min, 1.3 × 105J）し、乾燥（373 K）後、超音波処理した酸化グラフェンが得られました。FTIR分光分析により、超音波処理が酸化グラフェンの官能基を変化させなかったことが示されました。
推奨装置：
UP400S
参考文献／研究論文：
Oh, W. Ch.; Chen, M. L.; Zhang, K.; Zhang, F. J.; Jang, W. K. (2010)：酸化グラフェンナノシートの形成に及ぼす熱処理および超音波処理の影響。Journal of the Korean Physical Society 4/56, 2010. pp. 1097–1102.
グラフェンの超音波剥離・調製について詳しくは、こちらをご覧ください！

ポリビニルアルコールの分解によるヘアリーポリマーナノ粒子

超音波の用途：
疎水性モノマーの存在下で、水溶液中の水溶性ポリマーをソノケミカル分解する簡単な一段階手順により、残留物を含まない分散媒中に機能性ヘアリーポリマー粒子が得られます。すべての重合には250 mLの二重壁ガラス反応器を使用し、バッフル、温度センサー、磁気撹拌子（bar）、およびHielscher US200S 超音波プロセッサー（200 W, 24 kHz）を備えました。プロセッサーにはS14チタン製ソノトロード（直径 = 14 mm、長さ = 100 mm）を装備しました。
正確に量り取ったPVOHを、激しく撹拌しながら50°Cの水に一晩かけて溶解し、ポリビニルアルコール（PVOH）溶液を調製しました。重合前にPVOH溶液を反応器内に入れ、温度を所望の反応温度に調整しました。PVOH溶液とモノマーを、それぞれ別々にアルゴンで1時間パージしました。激しく撹拌しながら、必要量のモノマーをPVOH溶液に滴下しました。その後、液中へのアルゴンパージを停止し、UP200Sによる超音波処理を振幅80%で開始しました。ここで、アルゴンの使用には二つの目的があることに留意してください：(1)酸素の除去、(2)超音波キャビテーションの生成に必要であることです。したがって、原理上はアルゴンを連続的に流すことが重合に有益ですが、過剰な発泡が生じました。ここで採用した手順はこの問題を回避し、効率的な重合に十分でした。重量分析による転化率、分子量分布および／または粒径分布をモニタリングするため、定期的にサンプルを採取しました。
推奨装置：
US200S
参考文献／研究論文：
Smeets, N. M. B.; E-Rramdani, M.; Van Hal, R. C. F.; Gomes Santana, S.; Quéléver, K.; Meuldijk, J.; Van Herk, JA. M.; Heuts, J. P. A. (2010)：機能性ヘアリーポリマーナノ粒子を得るための簡単な一段階ソノケミカル法。Soft Matter, 6, 2010. 2392–2395.

HiPco-SWCNTs

超音波の用途：
UP400SによるHiPco-SWCNTsの分散：5 mLバイアル内で、酸化HiPcoTM SWCNTs 0.5 mg（炭素0.04 mmol）を脱イオン水2 mLに懸濁させるため、超音波プロセッサー UP400S を使用し、黒色の懸濁液（SWCNTs 0.25 mg/mL）を得ました。この懸濁液にPDDA溶液（20 wt./%、分子量 = 100,000–200,000）1.4 μLを添加し、混合物を2分間ボルテックス混合しました。水浴中でさらに5分間超音波処理した後、ナノチューブ懸濁液を5000gで10分間遠心分離しました。上清をAFM測定用に採取し、その後siRNAで機能化しました。
推奨装置：
UP400S
参考文献／研究論文：
Jung, A. (2007)：カーボンナノチューブを基盤とする機能性材料。学位論文、Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 2007.

ヒドロキシアパタイトバイオセラミックス

超音波の用途：
ナノHAPの合成では、40 mLの0.32M Ca(NO₃)² ⋅ 4H₂O溶液を小型ビーカーに入れました。次に、水酸化アンモニウム約2.5 mLを使用して、溶液のpHを9.0に調整しました。その後、超音波プロセッサー UP50H （50 W, 30 kHz）にソノトロードMS7（ホーン直径7mm）を装備し、最大振幅100%に設定して溶液を1時間超音波処理しました。最初の一時間が終了した時点で、60 mLの0.19M [KH₂PO₄]溶液を最初の溶液にゆっくりと滴下しながら、次の一時間の超音波照射を行いました。混合中はpH値を確認して9に維持し、Ca/P比は1.67に維持しました。次に、遠心分離（~2000 g）を使用して溶液をろ過し、得られた白色沈殿を熱処理用の複数のサンプルに分けました。二組のサンプルを作製し、最初の組は管状炉での熱処理用の十二サンプル、二番目の組はマイクロ波処理用の五サンプルから構成しました。
推奨装置：
UP50H
参考文献／研究論文：
Poinern, G. J. E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D.(2011)：ナノメートルスケールのヒドロキシアパタイトバイオセラミックスの形成に及ぼす熱および超音波の影響。International Journal of Nanomedicine 6, 2011. 2083–2095.

超音波によって微細化・分散させたカルシウムヒドロキシアパタイト

無機フラーレン様WS₂ ナノ粒子

超音波の用途：
無機フラーレン（IF）様WS₂ ナノ粒子をニッケルマトリックスに電析する際に超音波処理を行うと、より均一で緻密な被膜が得られます。また、超音波の適用は、金属析出物に取り込まれる粒子の重量百分率に大きな影響を及ぼします。したがって、wt.%で表すニッケルマトリックス中のIF-WS₂ 粒子の含有率は、4.5 wt.%（機械的撹拌のみで成長させた膜）から約7 wt.%（超音波強度30 W cm^-2 で超音波処理して調製した膜）に増加します。
Ni/IF-WS₂ ナノ複合体被膜は、標準的なニッケルワット浴から電解析出させました。この浴には、工業グレードのIF-WS₂ （無機フラーレン–WS₂）ナノ粒子を添加しました。
実験では、IF-WS₂ をニッケルワット電解液に加え、共析実験の前に、室温で少なくとも24 h、マグネチックスターラー（300 rpm）を使用して懸濁液を強く撹拌しました。電析工程の直前に、凝集を防ぐため、懸濁液に10 minの超音波前処理を行いました。超音波照射では、 UP200S プローブ型超音波処理装置にソノトロードS14（先端直径14 mm）を装備し、振幅を55%に調整しました。
共析実験には、容量200 mLの円筒形ガラスセルを使用しました。被膜を平坦な市販軟鋼（グレードSt37）製の陰極上に析出させました。陰極の面積は3cm²でした。陽極は純ニッケル箔（3cm²）とし、容器の側面に、陰極と向かい合うように配置しました。陽極と陰極の間隔は4cmでした。基材を脱脂し、冷たい蒸留水ですすぎ、15% HCl溶液で活性化（1 min）した後、再び蒸留水ですすぎました。電気共析は、一定電流密度5.0 A dm^-2 で1 h、直流電源（5 A/30 V, BLAUSONIC FA-350）を使用して行いました。バルク溶液中の粒子濃度を均一に維持するため、電析中に二つの撹拌方法を使用しました。セル底部に配置したマグネチックスターラー（ω = 300 rpm）による機械的撹拌と、プローブ型超音波装置 UP200Sによる超音波処理です。超音波プローブ（ソノトロード）を上方から溶液中に直接浸漬し、遮蔽が生じないように作用電極と対極の間に正確に配置しました。電気化学系に向けられる超音波の強度は、超音波振幅を制御することで変更しました。この研究では、連続モードで振動振幅を25、55、75%に調整しました。これらは、それぞれ超音波強度20、30、40 W cm^-2 に対応し、超音波出力計（Hielscher Ultrasonics）に接続したプロセッサーで測定しました。サーモスタットを使用して電解液の温度を55◦Cに維持しました。温度は各実験の前後に測定しました。超音波エネルギーによる温度上昇は2–4◦Cを超えませんでした。電解後、表面に緩く吸着した粒子を除去するため、サンプルをエタノール中で1 min超音波洗浄しました。
推奨装置：
UP200S 、超音波ホーン／ソノトロードS14を装備
参考文献／研究論文：
García-Lecina, E.; García-Urrutia, I.; Díeza, J.A.; Fornell, B.; Pellicer, E.; Sort, J. (2013)：超音波撹拌の影響下における、電析ニッケルマトリックスへの無機フラーレン様WS2ナノ粒子の共析。Electrochimica Acta 114, 2013. 859–867.

ラテックス合成

超音波の用途：
P(St-BA)ラテックスの調製
P(St-BA)ポリ（スチレン-r-アクリル酸ブチル）P(St-BA)ラテックス粒子を、界面活性剤DBSAの存在下で乳化重合により合成しました。まず、三つ口フラスコ内の水100 mLにDBSA 1 gを溶解し、溶液のpH値を2.0に調整しました。St 2.80 gとBA 8.40 gの混合モノマーを、開始剤AIBN（0.168 g）とともにDBSA溶液に注ぎました。O/Wエマルションは、1 h磁気撹拌した後、 UIP1000hd に超音波ホーン（プローブ／ソノトロード）を装備し、氷浴中でさらに30 min超音波処理して調製しました。最後に、窒素雰囲気下、90degCの油浴中で2 h重合を行いました。
推奨装置：
UIP1000hd
参考文献／研究論文：
不織布基材上における、poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid)（PEDOT:PSS）由来の柔軟な導電性膜の作製。Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
ラテックスの超音波合成について詳しくは、こちらをご覧ください！

鉛の除去（超音波浸出）

超音波の用途：
汚染土壌からの鉛の超音波浸出：
超音波浸出実験には、超音波装置 UP400S を使用し、チタン製超音波プローブ（直径14mm）を装備しました。この装置は周波数20kHzで動作します。超音波プローブ（ソノトロード）を熱量測定により校正し、すべての超音波浸出実験で超音波強度を51 ± 0.4 W cm^-2 に設定しました。超音波浸出実験では、平底のジャケット付きガラスセルを使用し、25 ± 1°Cで恒温制御しました。超音波処理下の土壌浸出液（0.1L）として三種類の系を使用しました：6 mLの0.3 mol L^-2 酢酸溶液（pH 3.24）、3% (v/v)硝酸溶液（pH 0.17）、および酢酸／酢酸塩緩衝液（pH 4.79）で、これは60mLの0.3 mol L^-1 酢酸と19 mLの0.5 mol L^-1 NaOHを混合して調製しました。超音波浸出後、サンプルをろ紙でろ過して浸出液を土壌から分離し、続いて浸出液から鉛を電析させ、超音波適用後の土壌を分解処理しました。
超音波は、汚染土壌からの鉛の浸出を促進する有用な手段であることが実証されています。また、超音波は、土壌から浸出可能な鉛をほぼ完全に除去し、土壌の有害性を大幅に低減する有効な方法でもあります。
推奨装置：
UP400S 、ソノトロードH14を装備
参考文献／研究論文：
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007)：土壌からの鉛除去のための超音波浸出と電気化学処理の併用。Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

ナノ粒子懸濁液の調製

超音波の用途：
ナノ粒子懸濁液の調製には、未被覆のnTiO2（透過型電子顕微鏡（TEM）で5nm）およびnZnO（TEMで20nm）、ならびにポリマー被覆したnTiO2（TEMで3–4nm）およびnZnO（TEMで3–9nm）の粉末を使用しました。ナノ粒子の結晶形態は、nTiO2ではアナターゼ、nZnOではアモルファスでした。
脱イオン（DI）水を数滴入れた250mLビーカーに、ナノ粒子粉末0.1 gを量り取りました。次に、ナノ粒子をステンレス製スパチュラで混合し、DI水を加えてビーカー内の体積を200 mLにし、撹拌した後、振幅90%で60 secの超音波処理にHielscherの UP200S 超音波プロセッサーを使用し、0.5 g/Lの原液懸濁液を得ました。すべての原液懸濁液は4°Cで最長二日間保管しました。
推奨装置：
UP200S または UP200St
参考文献／研究論文：
Petosa, A. R. (2013)：飽和した粒状多孔質媒体中における金属酸化物ナノ粒子の輸送、沈着および凝集：水の化学特性、捕集体表面および粒子被覆の役割。学位論文、McGill University Montreal, Quebec, Canada 2013. 111–153.
ナノ粒子の超音波分散について詳しくは、こちらをご覧ください！

マグネタイトナノ粒子の沈殿

超音波の用途：
マグネタイト（Fe₃O₄）ナノ粒子は、Fe3+/Fe2+ = 2:1のモル比の塩化鉄(III)六水和物と硫酸鉄(II)七水和物の水溶液を共沈させることで製造します。鉄溶液を、それぞれ濃厚な水酸化アンモニウムおよび水酸化ナトリウムで沈殿させます。沈殿反応は超音波照射下で行い、反応物を超音波フロースルー反応チャンバー内のキャビテーション領域に通して供給します。pH勾配が生じないようにするため、沈殿剤を過剰にポンプ供給する必要があります。マグネタイトの粒径分布は光子相関分光法で測定しました。超音波による混合は、平均粒径を12–14 nmから約5–6 nmに低減します。
推奨装置：
UIP1000hd 、フローセル反応器を装備
参考文献／研究論文：
Banert, T.; Horst, C.; Kunz, U., Peuker, U. A. (2004)：酸化鉄(II,III)を例とした超音波フロースルー反応器での連続沈殿。ICVT, TU-Clausthal. GVC Annual Meeting 2004で発表したポスター。
Banert, T.; Brenner, G.; Peuker, U. A. (2006)：連続ソノケミカル沈殿反応器の運転パラメーター。第5回WCPT会議録、Orlando Fl.、23.–27. April 2006.
超音波沈殿について詳しくは、こちらをご覧ください！

ニッケル粉末

超音波の用途：
塩基性pHでの高分子電解質（溶解を防ぎ、表面にNiOが豊富な化学種の形成を促進するため）、アクリル系高分子電解質および水酸化テトラメチルアンモニウム（TMAH）を用いたNi粉末懸濁液の調製。
推奨装置：
UP200S
参考文献／研究論文：
Mora, M.; Lennikov, V.; Amaveda, H.; Angurel, L. A.; de la Fuente, G. F.; Bona, M. T.; Mayoral, C.; Andres, J. M.; Sanchez-Herencia, J. (2009)：構造用セラミックタイル上への超伝導被膜の作製。Applied Superconductivity 19/ 3, 2009. 3041–3044.

PbS – 硫化鉛ナノ粒子の合成

超音波の用途：
室温で、酢酸鉛（Pb(CH3COO)2.3H2O）0.151 gとTAA（CH3CSNH2）0.03 gを、5mLのイオン液体 [EMIM] [EtSO4]および15mLの二重蒸留水に50mLビーカー内で添加し、 UP200S で7 min超音波を照射しました。超音波プローブ／ソノトロードS1の先端を反応溶液に直接浸漬しました。形成された暗褐色の懸濁液を遠心分離して沈殿を回収し、未反応の試薬を除去するため、二重蒸留水とエタノールでそれぞれ二回洗浄しました。超音波が生成物の特性に及ぼす影響を調べるため、超音波照射を用いずに24 h連続撹拌して生成物を調製する点を除き、反応パラメーターを一定に保って、比較用サンプルをもう一つ調製しました。
PbSナノ粒子の調製のために、室温の水性イオン液体中での超音波支援合成が提案されました。この室温で行う環境に優しいグリーンな方法は、迅速でテンプレートを必要とせず、合成時間を著しく短縮して複雑な合成手順を回避します。調製したナノクラスターは3.86 eVという非常に大きなブルーシフトを示し、これは粒子が非常に小さいことと量子閉じ込め効果に起因すると考えられます。
推奨装置：
UP200S
参考文献／研究論文：
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008)：超音波照射を使用した水性 [EMIM][EtSO4] イオン液体中でのPbSナノ粒子の簡便な室温調製と特性評価。Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

精製ナノチューブ

超音波の用途：
次に、精製したナノチューブを1,2-dichloroethane（DCE）に懸濁させるため、高出力超音波装置 UP400S、400W, 24 kHz）をパルスモード（サイクル）で使用して超音波処理し、黒色の懸濁液を得ました。その後、凝集したナノチューブの束を5000 rpmで5分間遠心分離して除去しました。
推奨装置：
UP400S
参考文献／研究論文：
Witte, P. (2008)：生物医学および光電子用途向け両親媒性フラーレン。学位論文、Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 2008.

SAN/CNTs複合体

超音波の用途：
SANマトリックス中にCNTsを分散させるため、プローブ型超音波処理用のソノトロードを備えたHielscher UIS250Vを使用しました。まず、約30 minの超音波処理により、CNTsを蒸留水50mL中に分散させました。溶液を安定化させるため、溶液に対して~1%の割合でSDSを添加しました。その後、得られたCNTsの水分散液をポリマー懸濁液と合わせ、Heidolph RZR 2051機械式撹拌機で30 min混合し、次いで30 min繰り返し超音波処理しました。分析のため、異なる濃度のCNTsを含むSAN分散液をテフロン型に流し込み、周囲温度で3–4日間乾燥させました。
推奨装置：
UIS250v
参考文献／研究論文：
Bitenieks, J.; Meri, R. M.; Zicans, J.; Maksimovs, R.; Vasile, C.; Musteata, V. E. (2012)：スチレン–アクリレート／カーボンナノチューブナノ複合体：機械的、熱的および電気的特性。掲載誌：Proceedings of the Estonian Academy of Sciences 61/ 3, 2012. 172–177.

炭化ケイ素（SiC）ナノ粉末

超音波の用途：
炭化ケイ素（SiC）ナノ粉末を、塗料のテトラヒドロフラン溶液中で解凝集・分散させるため、Hielscher UP200S 高出力超音波プロセッサーを使用し、音響出力密度80 W/cm²で動作させました。SiCの解凝集は、最初に少量の洗浄剤を含む純溶媒中で行い、その後、塗料を少しずつ添加しました。全工程に要した時間は、ディップコーティング用サンプルでは30分、シルクスクリーン印刷用サンプルでは60分でした。溶媒の沸騰を避けるため、超音波処理中は混合物を十分に冷却しました。超音波処理後、ロータリーエバポレーターでテトラヒドロフランを蒸発させ、印刷に適した粘度を得るために混合物に硬化剤を添加しました。得られた複合体のSiC濃度は、ディップコーティング用に調製したサンプルでは3% wtでした。シルクスクリーン印刷用には二バッチのサンプルを調製し、予備的な摩耗・摩擦試験用のSiC含有量を1 – 3% wt、摩耗・摩擦試験結果に基づく複合体の微調整用のSiC含有量を1.6 – 2.4% wtとしました。
推奨装置：
UP200S
参考文献／研究論文：
Celichowski G.; Psarski M.; Wiśniewski M. (2009)：不連続な耐摩耗ナノ複合体パターンを備えた弾性糸テンショナー。Fibres & Textiles in Eastern Europe 17/ 1, 2009. 91–96.

SWNT 単層カーボンナノチューブ

超音波の用途：
ソノケミカル合成：SWNT 10 mgと2%MCB溶液30ml、SWNT 10 mgと2%MCB溶液30ml、UP400S、超音波処理強度：300 W/cm2、超音波処理時間：5h
推奨装置：
UP400S
参考文献／研究論文：
Koshio, A.; Yudasaka, M.; Zhang, M.; Iijima, S. (2001)：超音波処理を使用して単層カーボンナノチューブと有機材料を化学反応させる簡単な方法。Nano Letters 1/ 7, 2001. 361–363.

チオール化SWCNTs

超音波の用途：
チオール化SWCNTs 25 mg（炭素2.1 mmol）を脱イオン水50 mLに懸濁させるため、400W超音波プロセッサー（UP400S）を使用しました。続いて、この懸濁液を新たに調製したAu(NP)溶液に加え、混合物を1h撹拌しました。Au(NP)-SWCNTsを精密ろ過（硝酸セルロース）で回収し、脱イオン水で十分に洗浄しました。小さなAu(NP)（平均直径≈13 nm）がろ過膜（孔径0.2μm）を効果的に通過できたため、ろ液は赤色でした。
推奨装置：
UP400S
参考文献／研究論文：
Jung, A. (2007)：カーボンナノチューブを基盤とする機能性材料。学位論文、Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 2007.

TiO₂ ／パーライト複合体

超音波の用途：
TiO2／パーライト複合材料を調製しました。最初に、チタンイソプロポキシド（TIPO）、Aldrich 97%、5 mLを、Carlo Erbaのエタノール40 mLに溶解し、30 min撹拌しました。次に、パーライト5 gを加え、分散液を60 min撹拌しました。混合物をさらに均質化するため、先端プローブ型超音波処理装置 UIP1000hdを使用しました。2 minの超音波処理で、総投入エネルギー1 Whを適用しました。最後に、スラリーをエタノールで希釈して100 mLの懸濁液を得、この液体を前駆体溶液（PS）と名付けました。調製したPSは、火炎噴霧熱分解システムで処理できる状態となりました。
推奨装置：
UIP1000hd
参考文献／研究論文：
Giannouri, M.; Kalampaliki, Th.; Todorova, N.; Giannakopoulou,T.; Boukos, N.; Petrakis, D.; Vaimakis, T.; Trapalis, C. (2013)：火炎噴霧熱分解によるTiO2／パーライト複合体の一段階合成とその光触媒挙動。International Journal of Photoenergy 2013.

液体に結合した強力な超音波は、激しいキャビテーションを発生させます。極めて強いキャビテーション効果により、サブミクロンおよびナノ領域の粒径を持つ微粉末スラリーが生成されます。さらに、粒子表面が活性化されます。マイクロジェットと衝撃波による衝撃、および粒子間の衝突は、固体の化学組成と物理的形態に大きな影響を及ぼし、有機ポリマーと無機固体の両方の化学反応性を劇的に高めることができます。

「崩壊する気泡内部の極限条件によって、反応性の非常に高い化学種が生成されます。これらは、例えば開始剤を添加しない重合の開始など、さまざまな目的に使用できます。別の例として、高沸点溶媒中で揮発性有機金属前駆体をソノケミカル分解すると、高い触媒活性を持つさまざまな形態のナノ構造材料が生成されます。ナノ構造の金属、合金、炭化物、硫化物、ナノメートルサイズのコロイド、およびナノ構造の担持触媒は、いずれもこの一般的な方法で調製できます。」

[Suslick/ Price 1999: 323]

文献／参考文献

• Suslick, K. S.; Price, G. J. (1999)：材料化学への超音波の応用。Annu. Rev. Mater. Sci. 29, 1999. 295–326.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020)： 有望な光伝導性を持つ剥離CrPS4。Small 第16巻、第1号。January 9, 2020.
• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011)： 分子結晶の超音波微細化。J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Poinern G.E., Brundavanam R., Thi-Le X., Djordjevic S., Prokic M., Fawcett D. (2011)： ナノメートルスケールのヒドロキシアパタイトバイオセラミックスの形成に及ぼす熱および超音波の影響。Int J Nanomedicine. 2011; 6: 2083–2095.