ソノケミストリーとソノケミカルリアクター

ソノケミストリーは、高強度超音波を用いて化学反応（合成、触媒反応、分解、重合、加水分解など）を誘起、促進、改変する化学の分野です。超音波によって発生するキャビテーションは、化学反応を促進し、強化する独特の高エネルギー密度条件を特徴とします。反応速度の向上、収率の増加、環境に配慮したより穏やかな試薬の使用により、ソノケミストリーは化学反応の改善に非常に有利な手段となります。

ソノケミストリー

ソノケミストリーは、高強度超音波処理（例えば20 kHz）を加えることによって分子が化学反応を起こす研究およびプロセス技術の分野です。ソノケミカル反応を引き起こす現象は、音響キャビテーションです。音響キャビテーション、すなわち超音波キャビテーションは、強力な超音波を液体やスラリーに結合させたときに発生します。液体中の強力な超音波によって高圧と低圧のサイクルが交互に生じるため、真空気泡（キャビテーション空洞）が生成され、数回の圧力サイクルにわたって成長します。キャビテーションによる真空気泡が、それ以上エネルギーを吸収できない一定の大きさに達すると、気泡は激しく圧壊し、非常に高いエネルギー密度のホットスポットを形成します。この局所的なホットスポットは、非常に高い温度と圧力、そして極めて高速の液体ジェットによる微小流動を特徴とします。

音響キャビテーションと高強度超音波処理の効果

音響キャビテーションは、しばしば超音波キャビテーションとも呼ばれ、安定キャビテーションと過渡キャビテーションの二つの形態に区別できます。安定キャビテーションでは、キャビテーション気泡がその平衡半径の周りで何度も振動します。一方、過渡キャビテーションでは、寿命の短い気泡が数回の音響サイクルの間に急激な体積変化を起こし、最終的に激しく崩壊します（Suslick 1988）。安定キャビテーションと過渡キャビテーションは溶液中で同時に生じる場合があり、安定キャビテーションを起こしている気泡が過渡的な空洞に変わる場合もあります。過渡キャビテーションと高強度超音波処理に特徴的な気泡の圧壊は、5000–25,000 Kという非常に高い温度、最大で数1000 barの圧力、最大1000m/sの速度の液流など、さまざまな物理的条件を生み出します。キャビテーション気泡の崩壊・圧壊はナノ秒未満で起こるため、10¹¹ K/sを超える非常に高い加熱速度と冷却速度が観測されます。このような高い加熱速度と圧力差は、反応を開始し、促進することができます。発生する液流については、これらの高速マイクロジェットは、特に不均一な固体–液体スラリーにおいて大きな利点をもたらします。液体ジェットは、崩壊する気泡の温度と圧力をそのまま伴って表面に衝突し、粒子間衝突による侵食と局所的な溶融を引き起こします。その結果、溶液中の物質移動が大幅に改善されることが観測されます。

超音波キャビテーションは、蒸気圧の低い液体や溶媒で最も効果的に発生します。そのため、蒸気圧の低い媒体はソノケミカル用途に適しています。
超音波キャビテーションによって生じる強い力は、反応経路をより効率的な経路に切り替えることができ、その結果、より完全な変換および／または望ましくない副生成物の生成が回避されます。
キャビテーション気泡の崩壊によって生じる高エネルギー密度の空間をホットスポットと呼びます。20kHz程度の低周波・高出力超音波と高振幅を発生させる能力は、強力なホットスポットと好適なソノケミカル条件を生成するための確立された手段です。

商用ソノケミカルプロセス向けの実験室用超音波装置および産業用超音波リアクターは容易に入手でき、実験室、パイロット、完全な産業規模で、信頼性が高く、効率的で、環境に配慮した装置として実証されています。ソノケミカル反応は、バッチ方式（すなわち開放容器）、または密閉型フローセルリアクターを使用したインライン方式で実施できます。

超音波合成

超音波合成、すなわちソノケミカル合成は、化学反応を開始し、促進するために、超音波によって発生するキャビテーションを利用する手法です。高出力超音波処理（例えば20 kHz）は、分子や化学結合に強い影響を及ぼします。例えば、強力な超音波処理によるソノケミカル効果は、分子の分裂、フリーラジカルの生成、および／または化学反応経路の切り替えを引き起こす場合があります。そのため、ソノケミカル合成は、幅広いナノ構造材料の製造や改質に盛んに利用されています。超音波合成によって製造されるナノ材料の例として、ナノ粒子（NPs）（例えば金NPs、銀NPs）、顔料、コアシェルナノ粒子、 ナノハイドロキシアパタイト, 金属有機構造体（MOFs）、医薬品有効成分（APIs）、マイクロスフィアで修飾されたナノ粒子、ナノ複合材料など、多くの材料が挙げられます。
例： 脂肪酸メチルエステル（バイオディーゼル）の超音波エステル交換反応 または 超音波を用いたポリオールのエステル交換反応.

最適条件下でソノケミカル合成された銀ナノ粒子（Ag-NPs）のTEM画像（A）とその粒径分布（B）。

超音波で促進する結晶化（超音波結晶化）も広く利用されています。この手法では、強力な超音波を用いて過飽和溶液を生成し、結晶化・析出を開始するとともに、超音波プロセスのパラメーターによって結晶の大きさと形態を制御します。 超音波結晶化の詳細はこちらをご覧ください！

超音波触媒反応

化学懸濁液や溶液を超音波処理すると、触媒反応を大幅に改善できます。ソノケミカルエネルギーは反応時間を短縮し、熱移動と物質移動を改善するため、その結果、化学反応の速度定数、収率、選択性が向上します。
強力な超音波とそのソノケミカル効果を利用することで、大きな恩恵を受ける触媒プロセスは数多くあります。互いに混和しない二種類以上の液体、または液体と固体の組み合わせを含む不均一系の相間移動触媒（PTC）反応は、いずれも超音波処理、ソノケミカルエネルギー、物質移動の改善によって恩恵を受けます。
例えば、水中のフェノールについて、超音波を用いない触媒湿式過酸化物酸化と超音波支援による触媒湿式過酸化物酸化を比較分析したところ、超音波処理は反応のエネルギー障壁を低下させるものの、反応経路には影響しないことが明らかになりました。超音波処理中にRuI₃ 触媒を用いてフェノールを酸化する際の活性化エネルギーは13 kJ mol^-1であり、超音波を用いない酸化プロセス（57 kJ mol^-1）の四分の一であることがわかりました。（Rokhina et al, 2010）
ソノケミカル触媒反応は、化学製品の製造に加え、金属、合金、金属化合物、非金属材料、無機複合材料など、マイクロメートルおよびナノスケールの構造を持つ無機材料の製造にも成功裏に利用されています。超音波支援によるPTCの一般的な例には、遊離脂肪酸からメチルエステル（バイオディーゼル）へのエステル交換反応、加水分解、植物油のけん化、超音波フェントン反応（フェントン類似プロセス）、超音波触媒分解などがあります。
超音波触媒反応と具体的な用途の詳細をご覧ください！
超音波処理は、アジド–アルキン環化付加反応などのクリックケミストリーを改善します！

その他のソノケミカル用途

用途の多様性、信頼性、操作の簡便さにより、 UP400St や UIP2000hdT などのソノケミカルシステムは、化学反応用の効率的な装置として高く評価されています。Hielscher Ultrasonicsのソノケミカル装置は、バッチ方式（開放ビーカー）にも、ソノケミカルフローセルを用いた連続インライン超音波処理にも簡単に使用できます。超音波合成、超音波触媒反応、分解、重合を含むソノケミストリーは、化学、ナノテクノロジー、材料科学、医薬品、微生物学、さらにその他の産業で広く利用されています。

高性能ソノケミカル装置

Hielscher Ultrasonicsは、効率的で信頼性の高いソノケミカル反応に向けた革新的な最先端の超音波処理装置、ソノケミカルフローセル、リアクター、付属品を提供するトップサプライヤーです。すべてのHielscher超音波処理装置は、ドイツのテルトウ（ベルリン近郊）にあるHielscher Ultrasonics本社でのみ設計、製造、試験されています。最高水準の技術基準、卓越した堅牢性、高効率な運転を可能にする24/7/365の稼働に加え、Hielscher超音波処理装置は操作が容易で、信頼性にも優れています。高効率、スマートなソフトウェア、直感的なメニュー、自動データ記録、ブラウザーによる遠隔操作は、Hielscher Ultrasonicsを他のソノケミカル装置メーカーと差別化する機能のほんの一例です。

精密に調整可能な振幅

振幅は、ソノトロード（超音波プローブまたはホーンとも呼ばれます）の前面（先端）における変位であり、超音波キャビテーションに影響を及ぼす主な要因です。振幅が大きいほど、キャビテーションは強くなります。必要なキャビテーション強度は、個々のソノケミカル反応の種類、使用する化学試薬、目標とする結果に大きく依存します。そのため、音響キャビテーションの強度を理想的な水準に合わせるには、振幅を精密に調整できる必要があります。すべてのHielscher超音波処理装置は、インテリジェントなデジタル制御によって、理想的な振幅に確実かつ精密に調整できます。さらに、ブースターホーンを使用して振幅を機械的に小さくしたり大きくしたりすることもできます。Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、非常に高い振幅を提供できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅には、カスタム仕様の超音波ソノトロードをご用意しています。

ソノケミカル反応中の精密な温度制御

キャビテーションのホットスポットでは、摂氏数千度にも及ぶ極めて高い温度が観測されます。ただし、これらの極端な温度は、圧壊するキャビテーション気泡の微小な内部とその周囲に局所的に限られています。溶液全体では、単一または数個のキャビテーション気泡の圧壊による温度上昇は無視できる程度です。しかし、強力な超音波処理を長時間連続して行うと、液体全体の温度が徐々に上昇する場合があります。この温度上昇は多くの化学反応に寄与し、しばしば有益と考えられます。ただし、化学反応ごとに最適な反応温度は異なります。熱に敏感な材料を処理する場合、温度制御が必要になることがあります。ソノケミカルプロセス中に理想的な熱条件を実現できるよう、Hielscher Ultrasonicsは、冷却ジャケットを備えたソノケミカルリアクターやフローセルなど、精密な温度制御のためのさまざまな高度なソリューションを提供しています。
当社のソノケミカルフローセルとリアクターには、効果的な放熱を支援する冷却ジャケットを装備できます。温度を連続的に監視するため、Hielscher超音波処理装置には着脱式の温度センサーが備わっており、液体中に挿入して液体全体の温度を常時測定できます。高度なソフトウェアにより、温度範囲を設定できます。温度の上限を超えると、超音波処理装置は液体の温度が所定の設定値まで低下するまで自動的に一時停止し、その後、超音波処理を自動的に再開します。すべての温度測定値とその他の重要な超音波プロセスデータは、内蔵SDカードに自動的に記録され、プロセス制御のために簡単に確認できます。
温度はソノケミカルプロセスの重要なパラメーターです。Hielscherの高度に練り上げられた技術は、ソノケミカル用途の温度を理想的な範囲内に維持するのに役立ちます。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。