ينبغي أن يكون التطبيق المبكر للموجات فوق الصوتية في الكيمياء الحيوية هو تحطيم جدار الخلية بالموجات فوق الصوتية لإطلاق محتوياتها. وقد أظهرت دراسات لاحقة أن الموجات فوق الصوتية منخفضة الكثافة يمكن أن تعزز عملية التفاعل الكيميائي الحيوي. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تعريض قاعدة مغذية سائلة بالموجات فوق الصوتية إلى زيادة معدل نمو خلايا الطحالب، مما يزيد كمية البروتين التي تنتجها هذه الخلايا بمقدار ثلاثة أضعاف.

بالمقارنة مع كثافة طاقة انهيار فقاعات التجويف، تضاعفت كثافة طاقة مجال الموجات فوق الصوتية تريليونات المرات، مما أدى إلى تركيز هائل للطاقة. تُعدّ ظاهرة الموجات فوق الصوتية والتألق الصوتي الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة والضغط الناتجين عن فقاعات التجويف أشكالاً فريدة لتبادل الطاقة والمواد في مجال الموجات فوق الصوتية. لذلك، تلعب الموجات فوق الصوتية دوراً متزايد الأهمية في الاستخلاص الكيميائي، وإنتاج الديزل الحيوي، والتخليق العضوي، والمعالجة الميكروبية، وتحلل الملوثات العضوية السامة، وسرعة التفاعلات الكيميائية وإنتاجيتها، والكفاءة التحفيزية للمحفز، ومعالجة التحلل البيولوجي، ومنع الترسبات بالموجات فوق الصوتية وإزالتها، وسحق الخلايا البيولوجية، والتشتت والتكتل، والتفاعلات الصوتية.

1. تفاعل كيميائي معزز بالموجات فوق الصوتية.

تفاعل كيميائي مُعزز بالموجات فوق الصوتية. القوة الدافعة الرئيسية هي التجويف بالموجات فوق الصوتية. يُنتج انهيار قلب الفقاعة المتكهّفة درجة حرارة وضغطًا عاليين موضعيًا، بالإضافة إلى تأثير قوي ونفثات دقيقة، مما يوفر بيئة فيزيائية وكيميائية جديدة ومتميزة للغاية للتفاعلات الكيميائية التي يصعب أو يستحيل تحقيقها في الظروف العادية.

2. التفاعل التحفيزي بالموجات فوق الصوتية.

كمجال بحثي جديد، اكتسبت التفاعلات التحفيزية بالموجات فوق الصوتية اهتمامًا متزايدًا. وتتمثل التأثيرات الرئيسية للموجات فوق الصوتية على التفاعلات التحفيزية في:

(1) تساعد درجات الحرارة العالية والضغط العالي على تكسير المواد المتفاعلة إلى جذور حرة وكربون ثنائي التكافؤ، مما يؤدي إلى تكوين أنواع تفاعل أكثر نشاطًا؛

(2) تتمتع موجة الصدمة والنفثات الدقيقة بتأثيرات الامتزاز والتنظيف على السطح الصلب (مثل المحفز)، مما يمكنه إزالة منتجات التفاعل السطحي أو المواد الوسيطة وطبقة التخميل السطحية للمحفز؛

(3) قد تؤدي موجة الصدمة إلى تدمير بنية المادة المتفاعلة

(4) نظام المتفاعلات المشتتة؛

(5) يؤدي التجويف بالموجات فوق الصوتية إلى تآكل سطح المعدن، وتؤدي موجة الصدمة إلى تشوه الشبكة المعدنية وتشكيل منطقة الضغط الداخلية، مما يحسن نشاط التفاعل الكيميائي للمعدن؛

6) تعزيز المذيب للتغلغل في المادة الصلبة لإنتاج ما يسمى بتفاعل التضمين؛

(7) لتحسين تشتت المحفز، تُستخدم الموجات فوق الصوتية بكثرة في تحضيره. يزيد التشعيع بالموجات فوق الصوتية من مساحة سطح المحفز، ويزيد من توزيع المكونات النشطة بالتساوي، ويعزز النشاط التحفيزي.

3. كيمياء البوليمر بالموجات فوق الصوتية

استقطب تطبيق كيمياء البوليمرات الموجبة بالموجات فوق الصوتية اهتمامًا واسعًا. يُمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية أن تُحلّل الجزيئات الكبيرة، وخاصةً البوليمرات عالية الوزن الجزيئي. كما يُمكنها تحلل السليلوز والجيلاتين والمطاط والبروتين. يُعتقد حاليًا أن آلية التحلل بالموجات فوق الصوتية ناتجة عن تأثير القوة والضغط العالي عند انفجار فقاعة التجويف، بينما قد يكون الجزء الآخر من التحلل ناتجًا عن تأثير الحرارة. في ظل ظروف معينة، يُمكن للموجات فوق الصوتية القوية أن تُحفّز عملية البلمرة. يُمكن للإشعاع القوي بالموجات فوق الصوتية أن يُحفّز عملية البلمرة المشتركة لكحول البولي فينيل والأكريلونيتريل لتحضير بوليمرات كتلة، وبلمرة مشتركة لأسيتات البولي فينيل وأكسيد البولي إيثيلين لتكوين بوليمرات طعم.

4. تقنية تفاعل كيميائي جديدة مُعززة بمجال الموجات فوق الصوتية

يُعدّ الجمع بين تكنولوجيا التفاعلات الكيميائية الحديثة وتعزيز المجال فوق الصوتي اتجاهًا تطويريًا محتملًا آخر في مجال الكيمياء فوق الصوتية. على سبيل المثال، يُستخدم السائل فوق الحرج كوسط، ويُستخدم المجال فوق الصوتي لتعزيز التفاعل التحفيزي. على سبيل المثال، يمتلك السائل فوق الحرج كثافةً مماثلةً للسائل، ولزوجته ومعامل انتشاره مماثلين للغاز، مما يجعل ذوبانه مساويًا للسائل، وقدرته على نقل الكتلة مساويةً للغاز. يمكن تحسين تثبيط المحفز غير المتجانس باستخدام خصائص الذوبان والانتشار الجيدة للسوائل فوق الحرج، ولكن استخدام المجال فوق الصوتي لتقويته يُعدّ بلا شكّ إضافةً رائعةً. لا تقتصر أهمية موجة الصدمة والنفثات الدقيقة الناتجة عن التجويف بالموجات فوق الصوتية على تعزيز السائل فوق الحرج بشكل كبير لإذابة بعض المواد التي تُعطل المحفز، بل تلعب أيضًا دور الامتزاز والتنظيف، وتحافظ على فعالية المحفز لفترة طويلة، بل تلعب أيضًا دور التحريك، مما يُشتت نظام التفاعل، ويرفع معدل انتقال الكتلة للتفاعل الكيميائي للسائل فوق الحرج. بالإضافة إلى ذلك، تُسهم درجة الحرارة والضغط المرتفعان عند النقطة الموضعية التي يُشكلها التجويف بالموجات فوق الصوتية في تكسير المواد المتفاعلة إلى جذور حرة، مما يُسرّع معدل التفاعل بشكل كبير. حاليًا، تُجرى العديد من الدراسات حول التفاعل الكيميائي للسائل فوق الحرج، ولكن هناك دراسات قليلة حول تعزيز هذا التفاعل باستخدام المجال فوق الصوتي.

5. استخدام الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة في إنتاج الديزل الحيوي

يكمن سر تحضير الديزل الحيوي في عملية الاسترة التحفيزية لجلسريد الأحماض الدهنية مع الميثانول والكحولات منخفضة الكربون الأخرى. تُعزز الموجات فوق الصوتية تفاعل الاسترة التحفيزية، خاصةً في أنظمة التفاعل غير المتجانسة، حيث تُعزز بشكل كبير تأثير الخلط (الاستحلاب) وتعزز تفاعل التلامس الجزيئي غير المباشر، مما يُمكّن من إتمام التفاعل المطلوب أصلاً تحت ظروف درجة حرارة عالية (ضغط عالٍ) في درجة حرارة الغرفة (أو قريبة منها)، وتقصير زمن التفاعل. لا تُستخدم الموجات فوق الصوتية في عملية الاسترة التحفيزية فحسب، بل تُستخدم أيضاً في فصل خليط التفاعل. استخدم باحثون من جامعة ولاية ميسيسيبي في الولايات المتحدة الأمريكية المعالجة بالموجات فوق الصوتية في إنتاج الديزل الحيوي. تجاوز إنتاج الديزل الحيوي 99% في غضون 5 دقائق، بينما استغرق نظام مفاعل الدفعات التقليدي أكثر من ساعة.