高強度超音波の超音波は、液体中に音響キャビテーションを発生させる。キャビテーションは、最大1000km / hrの液体ジェット、最大2000気圧の圧力、最大5000ケルビンの温度など、局所的に極端な影響を引き起こします。これらの超音波生成力は、均質化、分散、乳化、抽出、細胞破壊、ならびに化学反応のインテス化などの多数の液体処理用途に使用されます。

超音波キャビテーションの動作原理

高強度で液体を超音波処理する際に、液体培地中に伝播する音波は、周波数に応じてレートで、高圧（圧縮）及び低圧（希薄化）のサイクルを交互につながります。低圧サイクルの間に、高強度の超音波は、液体中に小さな真空泡又は空隙を作ります。気泡が、彼らはもはやエネルギーを吸収することはできませんこれでボリュームを達成すると、彼らは、高圧サイクル中に激しく崩壊します。この現象はキャビテーションと呼ばれています。爆縮時には非常に高い温度（約5,000K）と圧力（約2,000atm）がローカルに達しています。キャビテーション気泡の内破はまた、最大280メートル/秒の速度の液体ジェットをもたらします。

音響キャビテーション(パワー超音波によって生成される)は、局所的に極端な条件、いわゆるソノメカニカルおよび音響化学的効果を作り出す。これらの効果のために、超音波処理は、より高い収率、より速い反応速度、新しい経路、および改善された全体的な効率につながる化学反応を促進する。

音響キャビテーションを使用した超音波処理器の主な用途

超音波プローブとしても知られるプローブ型超音波装置は、効率的に液体中の強烈な音響キャビテーションを生成します。したがって、さまざまな業界のさまざまなアプリケーションで広く使用されています。プローブ型超音波処理器によって生成される音響キャビテーションの最も重要なアプリケーションのいくつかは次のとおりです。
 

1. 均一化： 超音波プローブは、振動およびせん断力のエネルギー密度の高い場として特徴付けられる強烈なキャビテーションを生成することができます。これらの力は、優れた混合、ブレンド、および粒子サイズの縮小を提供します。超音波均質化は、均一に混合された懸濁液を生成します。したがって、超音波処理は、狭い分布曲線を有する均質なコロイド懸濁液を製造するために使用される。
2. ナノ粒子分散液: 超音波処理器は、ナノ粒子の分散、解凝集および湿式粉砕に使用されます。低周波超音波は、凝集体を分解し、粒子サイズを減少させる衝撃的なキャビテーションを生成することができます。特に、液体ジェットの高せん断は、液体中の粒子を加速し、それが互いに衝突し(粒子間衝突)、その結果、粒子が破壊して侵食される。これにより、粒子の均一で安定した分布が沈降を防ぎます。これは、ナノテクノロジー、材料科学、製薬など、さまざまな分野で非常に重要です。
3. 乳化と混合: プローブ型超音波処理器は、エマルジョンを作成し、液体を混合するために使用されます。超音波エネルギーは、キャビテーション、微細な気泡の形成と崩壊を引き起こし、強烈な局所せん断力を生成します。このプロセスは、非混和性液体の乳化を助け、安定した微細に分散したエマルジョンを生成します。
4. 抽出： キャビテーションせん断力のために、超音波処理器は、細胞構造を破壊し、固体と液体の間の物質移動を改善するのに非常に効率的です。したがって、超音波抽出は、高品質の植物抽出物の生産のための生理活性化合物などの細胞内物質を放出するために広く使用されています。
5. 脱気および脱気: プローブ型超音波処理器は、液体から気泡や溶存気体を除去するために使用されます。超音波キャビテーションの適用は、気泡が成長し、液体の上部に浮かぶように気泡の合体を促進する。超音波キャビテーションは、脱気を迅速かつ効率的な手順にします。これは、塗料、油圧作動油、食品および飲料の加工など、ガスの存在が製品の品質と安定性に悪影響を与える可能性のあるさまざまな業界で役立ちます。
6. ソノカタリシス: 超音波プローブは、音響キャビテーションと触媒を組み合わせて化学反応を強化するプロセスであるソノカタリシスに使用できます。超音波によって生成されたキャビテーションは、物質移動を改善し、反応速度を増加させ、フリーラジカルの生成を促進し、より効率的で選択的な化学変換につながります。
7. サンプル調製: プローブ型超音波処理器は、サンプル調製のための実験室で一般的に使用されています。これらは、細胞、組織、ウイルスなどの生物学的サンプルを均質化、分解、および抽出するために使用されます。プローブによって生成された超音波エネルギーは、細胞膜を破壊し、細胞内容物を放出し、さらなる分析を容易にする。
8. 崩壊と細胞破壊: プローブ型超音波処理器は、細胞内成分の抽出、微生物の不活性化、または分析のためのサンプル調製など、様々な目的のために細胞および組織を崩壊および破壊するために利用される。高強度の超音波とそれによって生成されたキャビテーションは、機械的ストレスとせん断力を引き起こし、細胞構造の崩壊をもたらします。生物学的研究および医療診断では、プローブ型超音波処理器は、細胞溶解、細胞内成分を放出するために開いた細胞を破壊するプロセスに使用されます。超音波エネルギーは、細胞壁、膜、および細胞小器官を破壊し、タンパク質、DNA、RNA、および他の細胞成分の抽出を可能にします。

 
これらはプローブ型超音波装置の主要な用途の一部ですが、この技術は、ソノケミストリー、粒子サイズ縮小(湿式粉砕)、ボトムアップ粒子合成、医薬品、食品加工、バイオテクノロジー、環境科学などのさまざまな産業における化学物質や材料のソノ合成など、さらに幅広い用途があります。

水中のグラファイトフレークのソノメカニカル剥離を示すフレームの高速シーケンス(aからfまで) UP200S、3-mmソノトロードと200W超音波装置を使用して。 矢印は、キャビテーション気泡が分割を貫通して粒子を分割する場所を示しています。
©・トゥルニナら 2020

液体中の音響キャビテーションのビデオ

次のビデオは、水で満たされたガラスカラム内の超音波装置UIP1000hdTのカスカトロードでの音響キャビテーションを示しています。ガラス柱は、キャビテーション気泡の視覚化を改善するために、赤色光によって底部から照らされる。

下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます：