Gli ultrasuoni hanno trovato molti usi in molti campi. Per esempio, per i fischietti dei cani, gli impianti antifurto, le apparecchiature per la pulitura di gioielli e la sterilizzazione di strumenti chirurgici. Negli ospedali, i medici usano gli ultrasuoni per rimuovere i calcoli renali senza chirurgia, per trattare le lesioni della cartilagine (quale "il gomito del tennista") e controllare lo sviluppo fetale durante la gravidanza (ecografia). Nell'industria, gli ultrasuoni sono importanti per i trattamenti emulsionanti di cosmetici e cibi, la saldatura di elementi in plastica e la pulizia su grande scala. Tuttavia, nessuna di queste applicazioni riguarda l'azione degli ultrasuoni sulla reattività chimica.
Gli ultrasuoni ad alta intensità sono stati utilizzati per la rottura delle cellule per la prima volta nel 1959, quando Ultrasonics (oggi Misonix) ha progettato i primi processori ultrasonici o sonicatori del tipo a sonda.
Attualmente questi strumenti, in grado di generare ed irradiare in un liquido onde ultrasoniche ad alta intensità, sono diffusamente utilizzati in diverse aree applicative: emulsificazione, catalisi, omogeneizzazione, sospensione, disaggregazioe, scissione, dispersione, solubilizzazione, polimerizzazione e degasamento.
 Fig. 1 - Misonix Sonicator® S3000 (www.2spi.com) con Flocell®, oltre alla lisi cellulare, alla creazione di emulsioni/sospensioni ed alla solubilizzazione, questo sonicatore consente la processazione in continuo - utilizzata soprattutto nell'industria farmaceutica - di volumi elevati (fino a 40 L /min.). |
Il generatore fornisce impulsi di energia ad alto voltaggio e ad alta frequenza, trasformando la normale corrente alternata a 220 volt e 60 Hz in energia elettrica a circa 1000 V e 20.000 Hz. I sonicatori più evoluti regolano l'energia emessa in funzione della temperatura e della viscosità del liquido; rilevano i cambiamenti di impedenza ed aumentano o diminuiscono elettronicamente la potenza trasmessa alla sonda.
Il convertitore trasforma l'energia elettrica ad alta frequenza proveniente dal generatore in vibrazione meccanica alla frequenza specifica (20 kHz). L'oscillazione dei cristalli piezoelettrici del convertitore viene trasmessa e concentrata, grazie all'azione di una sonda in titanio che irradia energia nel liquido in cui è immersa sotto forma di onde di pressione che provocano la cavitazione.
Le sonde amplificano la vibrazione longitudinale prodotta dal convertitore. L'aumento dell'amplificazione o guadagno produce una più intensa azione di cavitazione e una maggiore efficacia del processo. Le sonde in titanio, che servono per irradiare e concentrare energia nel liquido ad esse immediatamente circostante, sono disponibili in varie dimensioni, che variano a seconda dell'applicazione per cui vengono utilizzate, in base al volume da processare (anche inferiori al ml) e all'intensità di sonicazione voluta.
Molte industrie, tra cui quella delle biotecnologie, ambientale e farmaceutica, usano questi strumenti per un'ampia gamma di applicazioni. Le applicazioni di laboratorio più diffuse nel campo della ricerca biomedica e farmaceutica sono rappresentate dalla lisi dei batteri o delle cellule in coltura: la sonicazione permette un rilascio di enzimi e proteine più efficace di quello ottenuto con altri metodi in quanto la rottura delle membrane cellulari è spesso molto rapida e completa. Nel campo delle analisi ambientali trova risalto l'estrazione di molecole da campioni di terreno. Nell'industria cosmetica, farmaceutica e delle biotecnologie le applicazioni principali sono: il processamento delle cellule coltivate per la produzione di vaccini, la purificazione enzimatica, la formazione di microemulsioni (inferiore a 7/100 di mm), la formazione di liposomi unilamellari, la dissoluzione di compresse per il dissolution test, l'omogenizzazione di liquidi immiscibili e la solubilizzazione di composti difficili
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potenza: si misura in Watt ed è l'energia richiesta per dirigere l'emissione di energia da parte di una superficie di una sonda, ad una specifica ampiezza di vibrazione, dato uno specifico carico. intensità: è una misura dell'energia disponibile per unità di volume di campione ed è direttamente correlata all'ampiezza della faccia irradiante della sonda o del corno. Quindi è importante fornire, mantenere e monitorare l'ampiezza adeguata, che deve rimanare tale anche in caso di variazioni di carico. cavitazione: è la creazione ripetuta di microbolle all'interno di un liquido, a cui segue la loro implosione. Le bolle possono essere create dall'espansione e dalla contrazione di una bolla di gas intrappolata nel campo degli ultrasuoni per parecchi cicli, finché le bolle non raggiungono l'energia sufficiente per collassare durante l'onda di compressione. Questo fenomeno prende il nome di cavitazione stabile. Quando la bolla contiene, invece, la fase di vapore del liquido e perdura solamente per uno o pochi cicli di pressione, la cavitazione è detta transiente. |
Il fenomeno della cavitazione si presenta nei liquidi non solo durante il flusso turbolento, ma anche sotto irradiazione ultrasonica ad alta intensità. La cavitazione è responsabile sia dell'erosione dell'elica che delle conseguenze chimiche degli ultrasuoni. Nel 1927, Alfred L. Loomis osservò i primi effetti chimici degli ultrasuoni, ma il campo della sonochimica rimase inesplorato per quasi 60 anni. La rinascita della sonochimica si è verificata negli anni '80, poco dopo l'avvento di generatori ultrasonici economici e sicuri. Oggi, i produttori di sonicatori migliorano continuamente le tecnologie esistenti, rendendo possibili ed economicamente convenienti nuove applicazioni.
Gli studi finora sviluppati hanno dimostrato che gli effetti chimici degli ultrasuoni sono vari ed offrono notevoli miglioramenti nelle reazioni chimiche stechiometriche e catalitiche. In alcuni casi, l'irradiazione ultrasonica può aumentare le reattività di quasi un milione di volte. Gli effetti chimici degli ultrasuoni riguardano tre aspetti: sonochimica dei liquidi omogenei, sonochimica eterogenea di sistemi liquido-liquido o liquido-solidi e sonocatalisi (che si sovrappone ai primi due). Poiché la cavitazione può avvenire soltanto nei liquidi, le reazioni chimiche non si presentano generalmente durante l'irradiazione ultrasonica dei solidi o dei sistemi solido-gas.
L'irradiazione ultrasonica differisce dalle fonti di energia tradizionali (quali calore, luce, o radiazione ionizzante) nella durata, nella pressione e nell'energia per la molecola. A causa delle elevatissime temperature, delle enormi pressioni e delle straordinarie velocità di raffreddamento e riscaldamento generati dal collasso delle bolle di cavitazione, gli ultrasuoni forniscono un meccanismo insolito per la la chimica ad alta energia. Come in fotochimica, pacchetti di energia molto grandi sono introdotti in un periodo di tempo brevissimo, però, in questo caso, si tratta di energia termica piuttosto che eccitazione elettronica; ed è l'energia termica che permette di raggiungere le elevatissime temperature. Inoltre, la sonochimica comprende anche enormi pressioni, che suggerisce la possibilità di produrre in scala microscopica le stesse condizioni che si presentano in grande scala durante le esplosioni o in coseguenza di onde di scossa (un'onda di scossa è un'onda di compressione formata ogni volta che la velocità di un corpo o di un liquido in seno ad mezzo supera quella a cui il mezzo può trasmettere il suono).
L'ultrasuono ha frequenze posizionate oltre l'udito umano (approssimativamente oltre 16 Khz). Gli ultrasuoni hanno lunghezze d'onda maggiore (circa 2 cm alla frequenza di 16 Khz) delle dimensioni molecolari e dunque, a causa di questa non sovrapposizione, gli effetti chimici dell'ultrasuono non possono derivare da un'interazione diretta del suono con le molecole (sarebbe come pretendere di usare una rete da pesca come zanzariera).
 Fig. 2 - Il collasso della bolla vicino ad una superficie estesa è asimmetrico e conduce ad una variazione di forma che si manifesta a velocità maggiore di 100m/s. (tratto da: www.scs.uiuc.edu/suslick/execsummsono.html) |
Mentre l'ultrasuono attraversa un liquido, i cicli di espansione esercitano una pressione negativa sul liquido, allontanando le molecole l'una dall'altra. Se l'ultrasuono è sufficientemente intenso, il ciclo di espansione può generare cavità nel liquido. Questo accade quando la pressione negativa supera la resistenza alla trazione (lo sforzo massimo che un materiale può sostenere da un carico d'allungamento senza strapparsi) del liquido, che varia secondo il tipo e la sua purezza. Normalmente, la cavitazione è un processo nucleato: cioè si presenta nei punti deboli preesistenti nel liquido, quali le fessure riempite di gas nella materia polverizzata sospesa, o in microbolle precedenti alla cavitazione. La maggior parte dei liquidi sono sufficientemente contaminati dalle piccole particelle che la cavitazione può rapidamente iniziare a pressioni negative moderate.
Le bolle di cavitazione che si formano internamente alle fessure del materiale, in sospensione nel liquido irradiato, producono un risultato analogo alla fratturazione della roccia mediante dinamite.
 Fig. 4 - il punto più efficace per spingere l'altalena raggiunge è quello in cui, di volta in volta, raggiunge il max. |
Alle intensità acustiche più basse lo sviluppo della cavità può anche presentarsi in un processo più lento denominato diffusione rettificata (v. diagrammi sotto). In queste condizioni, una cavità oscillerà in dimensione seguendo molti cicli di compressione e di espansione. Durante tali oscillazioni, la quantità di gas o vapore diffonde dentro o fuori la cavità a seconda della superficie, che è un po' più grande durante l'espansione che durante la compressione. Lo sviluppo della cavità durante ogni espansione è, quindi, un po' più grande del restringimento durante la compressione. Per conseguenza, dopo molti cicli acustici, la cavità si svilupperà fino a raggiungere una dimensione critica dove può assorbire efficientemente l'energia proveniente dall'irradiazione ultrasonica. Definita come dimensione risonante, questa dimensione critica dipende dal liquido e dalla frequenza del suono; a 20 Khz, per esempio, è approssimativamente 170 micrometri. A questo punto la cavità può svilupparsi velocemente durante un singolo ciclo del suono.
 Fig. 6- liquidi irradiati con ultrasuoni possono produrre bolle. Queste bolle oscillano, crescono un pò più durante la fase di espansione dell'onda sonora di quanto si riducono durante la fase di compressione. Sotto le appropriate condizioni, queste bolle possono andare incontro ad un violento collasso, che genera pressioni e temperature elevatissime. Questo processo è chiamato cavitazione. |
Una volta che la cavità è diventata troppo grande, sia ad alta che a bassa intensità sonora, non può più assorbire energia in modo efficiente. Senza l'ingresso di energia, la cavità non può più sostenere sé stessa. Il liquido che la circonda si precipita al suo interno e la cavità implode. E' l'implosione della cavità che crea un inusuale substrato per le reazioni chimiche.
La compressione di un gas genera calore. Su scala macroscopica, si può constatare toccando il copertone di una bicicletta mentre viene gonfiato: l'energia meccanica del gonfiaggio è convertita in calore mentre la gomma viene pressurizzata. Quando le bolle di cavitazione implodono in liquidi irradiati, la loro compressione è così rapida che una piccola quantità di calore viene dissipata dalla cavità durante il suo collasso. 
Il liquido circostante, d'altra parte, è ancóra freddo ed estinguerà prontamente la cavità riscaldata. Così, viene prodotto un punto caldo (hot spot), di breve durata, localizzato in un liquido freddo, questo punto caldo ha una temperatura approssimativa di 5000 ºC, una pressione di circa 1000 atmosfere, un tempo di vita inferiore ad un microsecondo e la velocità di riscaldamento e raffreddamento supera i 10 miliardi di gradi Celsius/sec. Per un confronto approssimativo, questa è la temperatura alla superficie del sole, la pressione nei fondali oceanici, il tempo di vita di un lampo di luce, e il raffreddamento è un milione di volte più veloce di una bacchetta di ferro al color rosso immersa nell'acqua! Dunque, la cavitazione serve come un mezzo per concentrare l'energia diffusa del suono in una forma chimicamente utile.
Kenneth S. Suslick - The Chemistry of ultrasound (from The Yearbook of Science & the Future 1994; Encyclopaedia Britannica: Chicago, 1994; pp 138-155.)
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