液体中の超音波キャビテーション

高強度の超音波は、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局所的に、時速1000km、圧力2000気圧、温度5000ケルビンという極端な効果をもたらす。これらの超音波によって発生する力は、均質化、分散、乳化、抽出、細胞破砕、化学反応の強化など、多くの液体処理用途に使用されています。

超音波キャビテーションの原理

液体を高強度で超音波処理する場合、液体中に伝播する音波は、周波数によって異なる割合で、高圧（圧縮）と低圧（希薄化）を交互に繰り返します。低圧サイクルの間、高強度の超音波が液体中に小さな真空の気泡または空隙を作る。気泡がエネルギーを吸収できない体積に達すると、高圧サイクルの間に激しく崩壊する。この現象はキャビテーションと呼ばれる。爆縮の間、局所的に非常に高い温度（約5,000K）と圧力（約2,000気圧）に達する。また、キャビテーション気泡の爆縮により、最大速度280m/sの液体ジェットが発生する。

音響キャビテーション（パワー超音波によって発生）は、いわゆるソノメカニカル効果やソノケミカル効果と呼ばれる局所的に極端な状態を作り出します。これらの効果により、超音波照射は化学反応を促進し、収率の向上、反応速度の高速化、新たな経路の開拓、全体的な効率の改善につながります。

音響キャビテーションを利用した超音波発生装置の主な用途

プローブ型超音波発生装置は、超音波プローブとしても知られ、液体中に強力な音響キャビテーションを効率的に発生させます。そのため、さまざまな産業分野のさまざまな用途で広く使用されています。プローブ型超音波発生装置で発生する音響キャビテーションの最も重要な用途には、以下のようなものがあります：
 

1. 均質化： 超音波プローブは強力なキャビテーションを発生させることができ、これはエネルギー密度の高い振動とせん断力の場として特徴付けられます。これらの力は、優れた混合、ブレンド、粒子径の減少をもたらします。超音波ホモジナイゼーションは、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、狭い分布曲線を持つ均一なコロイド懸濁液を製造するために使用されます。
2. ナノ粒子分散： 超音波装置は、ナノ粒子の分散、脱凝集、湿式粉砕に使用されます。低周波の超音波は衝撃的なキャビテーションを発生させ、凝集体を破壊して粒子径を小さくすることができる。特に、液体ジェットの高いせん断力は、液体中の粒子を加速させ、粒子同士が衝突（粒子間衝突）するため、粒子は結果的に破壊され、侵食されます。その結果、粒子の均一で安定した分布が得られ、沈殿が防止されます。これは、ナノテクノロジー、材料科学、医薬品を含む様々な分野で極めて重要である。
3. 乳化と混合： プローブタイプの超音波発生装置は、エマルションの生成や液体の混合に使用される。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、局所的に強いせん断力を発生させる。このプロセスは、混じり合わない液体の乳化を助け、安定した微分散エマルションを生成する。
4. 抽出： キャビテーションせん断力により、超音波装置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ある。したがって、超音波抽出は、高品質の植物エキスを製造するために、生物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る。
5. 脱気と脱泡： 液体中の気泡や溶存ガスを除去するために、プローブタイプの超音波発生装置が使用される。超音波キャビテーションの適用により、気泡の合体が促進され、気泡が成長して液体の上部に浮上します。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、ガスの存在が製品の品質や安定性に悪影響を及ぼす可能性のある、塗料、油圧作動油、食品・飲料加工など、さまざまな産業で重宝されています。
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促進するプロセスである超音波触媒作用に使用することができる。超音波によって発生するキャビテーションは、物質移動を改善し、反応速度を高め、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をもたらす。
7. サンプルの準備： プローブタイプの超音波発生装置は、実験室でのサンプル前処理に一般的に使用されている。細胞、組織、ウイルスなどの生物学的サンプルのホモジナイズ、分解、抽出に使用される。プローブから発生する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： プローブ型超音波発生装置は、細胞内成分の抽出、微生物の不活性化、分析用サンプルの調製など、さまざまな目的で細胞や組織を分解・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発生するキャビテーションは、機械的応力とせん断力を引き起こし、その結果、細胞構造を崩壊させる。生物学的研究や医療診断では、プローブ型超音波装置は細胞溶解（細胞を破砕して細胞内成分を放出するプロセス）に使用される。超音波エネルギーは細胞壁、細胞膜、細胞小器官を破壊し、タンパク質、DNA、RNA、その他の細胞成分の抽出を可能にする。

 
これらはプローブ型超音波発生装置の主な用途の一部であるが、この技術には他にも、医薬、食品加工、バイオテクノロジー、環境科学など様々な産業における、超音波化学、粒子径縮小（湿式粉砕）、ボトムアップ粒子合成、化学物質や材料の超音波合成など、さらに幅広い用途がある。

水中でのグラファイト薄片の超音波機械的剥離を示すフレームの高速シーケンス（aからf）。 3mmのソノトロードを備えた200W超音波発生装置UP200Sを使用。 矢印は、キャビテーション気泡が貫通し、粒子が分裂した場所を示す。
Tyurnina et al.

液中音響キャビテーションの動画

以下のビデオでは、超音波発生装置UIP1000hdTのカスカトロードで、水を満たしたガラスカラム内の音響キャビテーションを実演しています。キャビテーション気泡の可視性を向上させるため、ガラスカラムは底部から赤色光で照らされています。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：