عبور فراصوت (امواج التراسونیک) از میان محیط مایع باعث ایجاد نوسان سینوسی در فشار مثبت (متراکم) می شود. این نوسان باعث ایجاد پدیده حفره سازی می شود. هسته های احتمالی برای وقوع حفره سازی بسته های گازی هستند که در دیوارها و شکافهای راکتور به دام افتاده اند، یا آنها می‌توانند حبابهای کوچک که از قبل حاضر در محیط بودند، باشند.

حفره سازی حباب از این هسته ها در طول فاز رقیق شدن در نیم دوره فراصوت (امواج التراسونیک) رشد می کند، هنگامی که فشار متراکم شده در محیط به اندازه کافی زیر فشارهوا یا فشار استاتیک می‌افتد، اگر دامنه فشار موج فراصوت به اندازه کافی زیاد باشد (بیشتر از 1.2 bar) به سرعت دچار انبساط می‌شود (بیش از دو برابر اندازه اصلی) در طول دوره ترقیق (فشار منفی)، در نیم دوره ی فراصوت (موج التراسونیک)، این انبساط با تبخیر زیاد آب در سطح داخلی حباب همراه است. مولکول های بخار آب در هسته حباب پخش می شوند، در نتیجه فاز فشرده سازی نیز تحت تاثیر توسط نیروهای لختی ـ اینرسی قرار می گیرد و همگرایی کروی  عناصر مایع منجر به غلظت شدید انرژی در فروریزش حباب می‌شود. بنابراین، فروریزش حباب به شدت تند و پر انرژی است، که نتیجه آن تولید دماهای بالا و فشار در داخل حباب است. مولکولهای بخار وارد شده در حفره حباب در طول فاز انبساط، به طرف سطح داخلی حباب درطول فاز فشرده سازی پخش می شوند و درسطح داخلی متراکم می شوند. بنابراین، در طول لحظات نهایی فروریزش حباب، حرکت شعاعی حباب خیلی سریع می‌شود و همه ی مولکول های بخار قادر نیستند پخش شوند و در دیوار حباب متراکم (جایگزین) شوند. علاوه بر این در طول حرکت سریع دیواره ی حباب در فروریزش گذرا، تغییر فاز یا تراکم (تغلیظ) در سطح حباب نامتعادل ایجاد می‌شود، این یعنی همه ی مولکول های بخار که به سطح حباب نزدیک می شوند نمی‌توانند به آن بچسبند و مجبور به تراکم می‌شوند.  در نتیجه یک سری از مولکولهای بخار آب در حباب به دام افتاده و در معرض دماهای شدید و شرایط فشارتولید شده در حباب در فروریزش گذرا قرار می گیرند. مولکول های بخار دچار گسستگی در حباب می شوند و رادیکال هایی مثل  H – O – OH  و   یا   ·  OH ایجاد می شود.  سرعت تولید رادیکال وابسته به تعداد کل مولوکول های آب موجود در حباب در طول فروریزش، شدت فروریزش (یعنی مقدار دما و فشار موجود در حباب در لحظه درفروریزش ) و تعداد حبابها در محیط است. در نمونه ای از حداکثر فشرده سازی، حباب ممکن است با آزاد شدن رادیکال‌ها در محیط بزرگ تکه تکه شود و رادیکالها باعث تحریک و سریع شدن واکنش های شیمیایی شوند، این موضوع به عنوان اثرسونوشیمی شناخته شده است.

این رادیکال‌ها کاملا ناپایدار هستند و در فواصل عمیق از محل فروریزش گذرا حباب، در محیط بزرگ مایع پخش نمی شوند. واکنش سونوشیمی فقط در صورتی رخ می دهد که رادیکال ها بتوانند متقابلاً با مولکولهای واکنشگر ارتباط برقرارکنند.

بنابراین احتمال تعامل رادیکال – واکنشگر یک فاکتور مهم در عملکرد کلی واکنش های سونوشیمی است. در مواردی رادیکال‌ها توانایی واکنش با مولکول های واکنشگر را ندارند، آنها ممکن است به سادگی با ترکیب مجدد در میان خودشان گونه‌های مولکولی تولید کنند. برای افزایش احتمال واکنش واکنشگر –رادیکال غظت واکنشگردرمحل فروریزش حباب باید زیاد باشد. راه حل دیگر برای افزایش احتمال واکنش بین واکنشگر-رادیکال اضافه کردن یک عامل محافظت کننده رادیکال به محیط است. محافظ رادیکال با رادیکال‌های تولید شده از فروریزش حباب یا گونه‌های مولکولی مثل  H2O2  تشکیل شده به علت تولید مجدد رادیکال برای تولید گونه های رادیکالی اضافی واکنش می‌دهد. این پدیده به نفوذ عمیق رادیکال از محل فروریزش گذرا حباب  کمک می‌کند و احتمال واکنش واکنشگر-رادیکال را افزایش می‌دهد.

 اثرات فیزیکی فراصوت (امواج التراسونیک) و حفره سازی 4 مورد مهم است. این اثرات عمدتاً مسئول تولید جابجایی( همرفتی) قوی در محیط کلی مایع از طریق مکانیسم‌های مختلف است که در زیر شرح داده اند:

 ریز جریان (microstreaming)

 انتشار امواج فراصوت در محیط مایع باعث ایجاد دامنه حرکت نوسانی کوچک عناصر مایع در اطراف موقعیت میانی می شود. این پدیده ریزجریان نامیده می شود. سرعت آن به صورت v = P/ qC  داده میشود که  P فشار میدان نوسانی موج فراصوت است. q چگالی محیط و c سرعت صوت در محیط است.

 Microturbulence (آشفتگی کوچک)

حرکت شعاعی حفره حباب باعث حرکت نوسانی مایع با سرعت بالا در مجاورت خودش میشود. که آشفتگی کوچک نامیده می شود. این پدیده به شرح زیر است :

 در طول فاز انبساط حرکت شعاعی مایع از مرکز حباب جابجا می شود، درطول فاز فروریزش، مایع به طرف حباب کشیده شده و آن را پر می کند، در واقع خلأ ایجاد شده با کاهش سایز حباب با مایع پر می‌شود. متوسط سرعت آشفتگی کوچک وابسته به دامنه نوسان حباب است. با این حال باید توجه داشت که این پدیده تنها در ناحیه بسته مجاورت حباب اتفاق می افتد و سرعت آن در فاصله ای دور از حباب خیلی سریع کاهش می‌یابد.

Shock waves (موج شوک)

همانطور که دربالا ذکر شد در طول فاز فشرده سازی حرکت شعاعی، عناصر مایع در مجاورت دیوارها به سمت دیواره حباب همگرا می‌شوند. برای یک حباب گاز (حاوی گاز غیر متراکم مانند هوا) فشرده سازی آدیاباتیک (بی دررو) در افزایش سریع فشار داخل حباب رخ می دهد. در نقطه حداقل شعاع ( حداکثر فشرده سازی ) دیوار حباب دچار توقف ناگهانی و غیره برگشتی با سرعت بالا می شود. در این مثال همگرایی عناصر مایع معکوس شده از سطح حباب هستند، این بازتاب موج شوک، منجر به  فشار بالا می شود که در محیط پخش می‌شود.

Microjets (میکروجت)

در طول حرکت شعاعی هدایت شده توسط موج فراصوت، حفره حباب، هندسه کروی خود را تا زمانی که حرکت مایع در مجاورت خودش متقارن و یکنواخت است حفظ می کند، در نتیجه گرادیان فشار وجود ندارد. اگر حباب نزدیک به یک فاز مرز قرار بگیرد (یا جامد- مایع یا گاز -مایع یا مایع-مایع ) از حرکت مایع در نزدیکی آن مرز ممانعت می‌شود و منجر به رشد گرادیان فشار نزدیک مرز می شود.  این غیر یکنواختی فشار نتیجه‌اش از دست دادن هندسه کروی حباب است. تعدادی از نویسندگان در سه دهه گذشته این پدیده‌ها را با رویکردهای مختلف هم عددی و هم تجربی بررسی کردند. در طول حرکت شعاعی نامتقارن بخشی از حباب که در معرض فشار بالاتر است زودتر از بقیه حباب فرو می ریزد، که این باعث افزایش تولید جت مایع با سرعت بالا می شود. با این حال جهت این جت وابسته به خصوصیات مرزی جامد است.

برای یک مرز سخت، میکروجت به سمت مرز هدایت می‌شود در حالی که برای یک مرز آزاد میکروجت به دور از مرز هدایت می‌شود. سرعت این میکرو جت ها در محدوده ی  120-150 m/s تخمین زده شده است. در مورد مرزهای سخت این جت ها می‌توانند باعث اسیب شدید در نقطه ضربه شوند و سطح را دچار سایش کنند. برای سیستم واکنش شیمیایی، تنها اثرات شیمیایی حفره حباب مهم هستند. با این حال برای سیستم واکنش ناهمگن مایع -مایع  هر دو اثر فیزیکی و شیمیایی حفره سازی بر سینتیک و عملکرد واکنش موثر هستند. میکروتوربولانس شدید تولید شده به وسیله حفره‌های حباب سطح بین مایع –مایع را قطع می کنند و تولید امولسیون (ذرات چربی در آب )ظریف در بین فازها می کنند. این اتفاق به شدت سطح بینابینی را افزایش میدهد و نیاز به اضافه کردن عامل برای افزایش انتقال جرم را مانند کاتالیزور انتقال فلز رفع میکند.

منبع:

Ramesh Kuppa, Vijayanand S. Moholkar, Physical features of ultrasound-enhanced heterogeneous permanganate oxidation, Ultrasonics Sonochemistry 17 (2010) 123–131. doi:10.1016/j.ultsonch.2009.05.011