Ученые из Университета Осаки разгадали загадку, которая годами ставила в тупик химиков: почему слишком мощный ультразвук замедляет реакции, а не ускоряет их? Это открытие поможет эффективнее применять ультразвук в промышленности — например, для очистки воды от токсинов или создания наночастиц.

Результаты опубликованы в издании Ultrasonics Sonochemistry.

Человеческое ухо не слышит ультразвук, но в химии он творит чудеса. Если направить его на жидкость, там образуются микроскопические пузырьки, которые мгновенно растут и схлопываются. Этот процесс — акустическая кавитация — создает всплески энергии с температурой, как на поверхности Солнца, и запускает химические реакции.

Акустическая кавитация — когда ультразвуковые волны создают в жидкости пузырьки, которые резко схлопываются, выделяя энергию. Это как микроскопические взрывы, запускающие химические реакции.

Обычно чем сильнее ультразвук, тем быстрее идет реакция, — объясняет Такуя Ямамото, доцент Университета Осаки. — Но если мощность превышает определенный порог, все резко замедляется. Этот парадокс годами не давал покоя исследователям.

Именно из-за него ультразвук до сих пор не используют в промышленности так широко, как могли бы.

Чтобы разобраться, ученые провели шесть экспериментов: снимали пузырьки на камеру, фиксировали свечение реакций, замеряли давление звука. Дополнительно смоделировали поведение пузырьков и их температуру. Оказалось, что при слишком сильном ультразвуке пузырьки начинают хаотично двигаться и искажают волны. Из-за этого они не успевают вырасти, а их количество резко падает — реакции просто негде происходить.

Исследователи выделили три режима работы ультразвука, каждый со своей динамикой пузырьков и волн. Это объясняет, почему при разной мощности меняется скорость реакций, течение жидкости и даже выделение газов.

Теперь мы понимаем, как звук, движение жидкости и пузырьки влияют друг на друга, — говорит Ямамото. — Это поможет использовать ультразвук точнее.

Открытие приближает момент, когда с помощью ультразвука можно будет массово производить наночастицы или уничтожать стойкие загрязнители вроде PFAS — так называемых «вечных химикатов».

Практическая ценность работы — в оптимизации ультразвуковых технологий. Например:

• Очистка сточных вод — сейчас для разложения токсинов вроде PFAS требуются огромные энергии, а правильно настроенный ультразвук может делать это дешевле.
• Фармацевтика — контроль над реакциями позволит точнее синтезировать лекарства.
• Нанотехнологии — создание частиц с заданными свойствами станет предсказуемым.

Главное — теперь можно избежать «перегрузки» ультразвука, которая раньше сводила на нет его эффективность.

Исследование не учитывает вязкость жидкостей — а она сильно влияет на поведение пузырьков. Например, в густых растворах (как в некоторых промышленных процессах) эффект может проявляться иначе. Нужны дополнительные эксперименты.

Ранее ученые обнаружили необычное поведение радиоактивного элемента под воздействием ультразвука.