సోనోకెమిస్ట్రీ

From LTRC

కెమిస్ట్రీ (రసాయన శాస్త్రం)లో, సోనోకెమిస్ట్రీ (Sonochemistry) అనేది ద్రవాలలో అకౌస్టిక్ cavitation (గుహీకరణ)ను ఏర్పరచడంలో ultrasound (అల్ట్రాసౌండ్) యొక్క ప్రభావాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి సంబంధించిన అధ్యయనం, ఇది ద్రావణంలో రసాయన చర్యను ప్రారంభించడానికి లేదా మెరుగుపరచడానికి దారితీస్తుంది.[1] అందువల్ల, అల్ట్రాసౌండ్ యొక్క రసాయన ప్రభావాలు ద్రావణంలోని అణువులతో అల్ట్రాసోనిక్ ధ్వని తరంగాల ప్రత్యక్ష పరస్పర చర్య నుండి రావు.

చరిత్ర

ద్రవాల గుండా ప్రయాణించే ధ్వని తరంగాల ప్రభావాన్ని మొదట రాబర్ట్ విలియమ్స్ వుడ్ (1868–1955) మరియు ఆల్ఫ్రెడ్ లీ లూమిస్ (1887–1975) 1927లో నివేదించారు. ఈ ప్రయోగం ధ్వని తరంగాలు నీటి అడ్డంకిని "ఛేదించడానికి" అవసరమైన శక్తి యొక్క పౌనఃపున్యం (frequency) గురించి. ధ్వని నీటిలో వేగంగా ప్రయాణిస్తుందని, కానీ భూమి యొక్క atmosphere (వాతావరణం)తో పోలిస్తే నీటి యొక్క density (సాంద్రత) కారణంగా ధ్వని తరంగాల శక్తిని నీటిలోకి పంపడం చాలా కష్టమని ఆయన నిర్ధారణకు వచ్చారు. సాంద్రతలో అకస్మాత్తుగా మార్పు రావడం వల్ల, చాలా శక్తి వృధా అవుతుంది; ఇది ఒక గాజు ముక్క వైపు ఫ్లాష్‌లైట్‌ను ప్రకాశింపజేయడం వంటిది; కొంత కాంతి గాజులోకి ప్రసరిస్తుంది, కానీ చాలా వరకు పరావర్తనం చెంది వెనక్కి వెళ్తుంది. అదేవిధంగా గాలి-నీటి అంతర్ముఖం వద్ద, దాదాపు మొత్తం ధ్వని నీటిలోకి ప్రసరించడానికి బదులుగా పరావర్తనం చెందుతుంది. చాలా పరిశోధనల తర్వాత, నీటిలోకి ధ్వనిని విస్తరించడానికి ఉత్తమ మార్గం ధ్వనితో పాటు బుడగలను సృష్టించడం అని వారు నిర్ణయించుకున్నారు. మరొక సమస్య ఏమిటంటే, తక్కువ పౌనఃపున్య తరంగాలు బుడగల గోడలను ఛేదించి బుడగ చుట్టూ ఉన్న నీటిని చేరుకోవడానికి పట్టే సమయం, మరియు ఆ పాయింట్ నుండి నీటి భాగం యొక్క మరొక చివర వరకు పట్టే సమయం మధ్య నిష్పత్తి. కానీ ఈ వ్యాసంలోని విప్లవాత్మక ఆలోచనలు ఉన్నప్పటికీ, ఇది ఎక్కువగా గమనించబడలేదు.[2] సోనోకెమిస్ట్రీ 1980లలో తక్కువ ఖర్చుతో కూడిన మరియు నమ్మదగిన అధిక-తీవ్రత కలిగిన అల్ట్రాసౌండ్ జనరేటర్ల రాకతో పునరుజ్జీవనాన్ని పొందింది, ఇవి ఎక్కువగా పీజోఎలెక్ట్రిక్ మూలకాలపై ఆధారపడి ఉంటాయి.[3]

భౌతిక సూత్రాలు

అల్ట్రాసోనిక్ పౌనఃపున్యాల వద్ద ద్రవం గుండా ప్రయాణించే ధ్వని తరంగాలు అణువులోని పరమాణువుల మధ్య బంధం పొడవు లేదా అణు పరిమాణాల కంటే అనేక రెట్లు ఎక్కువ తరంగదైర్ఘ్యాలను కలిగి ఉంటాయి. అందువల్ల, ధ్వని తరంగం బంధం యొక్క కంపన శక్తిని నేరుగా ప్రభావితం చేయలేదు, కాబట్టి అణువు యొక్క అంతర్గత శక్తిని నేరుగా పెంచలేదు.[4][5] బదులుగా, సోనోకెమిస్ట్రీ అకౌస్టిక్ cavitation నుండి ఉద్భవిస్తుంది: ద్రవంలో బుడగల ఏర్పాటు, పెరుగుదల మరియు పేలుడుతో కూడిన కుప్పకూలడం.[3] ఈ బుడగల కుప్పకూలడం దాదాపు adiabatic (అడియాబాటిక్) ప్రక్రియ, దీనివల్ల బుడగ లోపల భారీగా శక్తి పేరుకుపోతుంది, ఇది సోనికేటెడ్ ద్రవం యొక్క సూక్ష్మ ప్రాంతంలో అత్యంత అధిక ఉష్ణోగ్రతలు మరియు పీడనాలకు దారితీస్తుంది. అధిక ఉష్ణోగ్రతలు మరియు పీడనాలు బుడగ వేగంగా కుప్పకూలినప్పుడు దాని లోపల లేదా చాలా దగ్గరగా ఉన్న ఏదైనా పదార్థం యొక్క రసాయన ఉత్తేజానికి దారితీస్తాయి. అకౌస్టిక్ cavitation నుండి sonoluminescence, ప్రాథమిక మరియు ద్వితీయ రాడికల్ చర్యల ఏర్పాటు కారణంగా ద్రావణంలో పెరిగిన రసాయన చర్య, మరియు రసాయన ప్రభావాలను సృష్టించడానికి ద్రావణంలోకి మరింత వ్యాపించగల కొత్త, సాపేక్షంగా స్థిరమైన రసాయన జాతుల ఏర్పాటు ద్వారా పెరిగిన రసాయన చర్య వంటి అనేక రకాల ఫలితాలు రావచ్చు (ఉదాహరణకు, అల్ట్రాసౌండ్‌కు నీరు గురైనప్పుడు కుప్పకూలే బుడగలలోని నీటి ఆవిరి విచ్ఛిన్నం తర్వాత రెండు హైడ్రాక్సిల్ రాడికల్స్ కలయిక నుండి hydrogen peroxide ఏర్పడటం).

అధిక తీవ్రత కలిగిన ధ్వని లేదా అల్ట్రాసౌండ్‌తో వికిరణం చేసినప్పుడు, సాధారణంగా అకౌస్టిక్ కావిటేషన్ జరుగుతుంది. కావిటేషన్ - ధ్వనితో వికిరణం చేయబడిన బుడగల ఏర్పాటు, పెరుగుదల మరియు పేలుడుతో కూడిన కుప్పకూలడం - సోనోకెమిస్ట్రీ మరియు sonoluminescenceలకు ప్రేరణ.[6] ద్రవాలలో బుడగ కుప్పకూలడం అనేది ద్రవ కదలిక యొక్క kinetic energy (గతి శక్తి)ని బుడగలోని కంటెంట్‌లను వేడి చేయడానికి మార్చడం ద్వారా భారీ మొత్తంలో శక్తిని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. కావిటేషన్ సమయంలో బుడగల కుదింపు ఉష్ణ రవాణా కంటే వేగంగా ఉంటుంది, ఇది స్వల్పకాలిక స్థానికీకరించిన హాట్-స్పాట్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు ఈ బుడగలు సుమారు 5000 K ఉష్ణోగ్రతలు, సుమారు 1000 atm పీడనాలు మరియు 1010 K/s కంటే ఎక్కువ వేడి మరియు శీతలీకరణ రేట్లను కలిగి ఉన్నాయని చూపించాయి.[7][8] ఈ కావిటేషన్లు సాధారణంగా చల్లగా ఉండే ద్రవాలలో విపరీతమైన భౌతిక మరియు రసాయన పరిస్థితులను సృష్టించగలవు.

ఘనపదార్థాలను కలిగి ఉన్న ద్రవాలతో, అల్ట్రాసౌండ్‌కు గురైనప్పుడు ఇలాంటి దృగ్విషయాలు సంభవించవచ్చు. విస్తరించిన ఘన ఉపరితలం దగ్గర కావిటేషన్ సంభవించినప్పుడు, కుహరం కుప్పకూలడం గోళాకారంగా ఉండదు మరియు ఉపరితలం వైపు ద్రవం యొక్క హై-స్పీడ్ జెట్‌లను నడుపుతుంది.[6] ఈ జెట్‌లు మరియు సంబంధిత షాక్ తరంగాలు ఇప్పుడు బాగా వేడెక్కిన ఉపరితలాన్ని దెబ్బతీస్తాయి. ద్రవ-పౌడర్ సస్పెన్షన్లు అధిక వేగంతో కణాల మధ్య ఘర్షణలను ఉత్పత్తి చేస్తాయి. ఈ ఘర్షణలు ఉపరితల స్వరూపాన్ని, కూర్పును మరియు రియాక్టివిటీని మార్చగలవు.[9]

సోనోకెమికల్ చర్యలు

సోనోకెమికల్ చర్యలలో మూడు తరగతులు ఉన్నాయి: ద్రవాల సజాతీయ సోనోకెమిస్ట్రీ, ద్రవ-ద్రవ లేదా ఘన-ద్రవ వ్యవస్థల విజాతీయ సోనోకెమిస్ట్రీ, మరియు పైన పేర్కొన్న వాటితో అతివ్యాప్తి చెందుతూ, sonocatalysis (అల్ట్రాసౌండ్‌తో రసాయన చర్య యొక్క రేటును పెంచడం లేదా ఉత్ప్రేరక చర్య).[10][11][12] Sonoluminescence అనేది సజాతీయ సోనోకెమిస్ట్రీకి కారణమయ్యే అదే కావిటేషన్ దృగ్విషయాల ఫలితం.[5][13][14] అల్ట్రాసౌండ్ ద్వారా చర్యల రసాయన మెరుగుదల అన్వేషించబడింది మరియు మిశ్రమ దశ సంశ్లేషణ, మెటీరియల్స్ కెమిస్ట్రీ మరియు బయోమెడికల్ ఉపయోగాలలో ప్రయోజనకరమైన అనువర్తనాలను కలిగి ఉంది. కావిటేషన్ ద్రవాలలో మాత్రమే సంభవించగలదు కాబట్టి, ఘనపదార్థాలు లేదా ఘన-వాయువు వ్యవస్థల అల్ట్రాసోనిక్ వికిరణంలో రసాయన చర్యలు కనిపించవు.

ఉదాహరణకు, chemical kinetics (రసాయన గతిశాస్త్రం)లో, అల్ట్రాసౌండ్ అనేక వ్యవస్థలలో రసాయన రియాక్టివిటీని మిలియన్ రెట్లు పెంచగలదని గమనించబడింది;[15] ఇది సమర్థవంతంగా విజాతీయ ఉత్ప్రేరకాలను ఉత్తేజపరిచేలా పనిచేస్తుంది. అదనంగా, ద్రవ-ఘన అంతర్ముఖాల వద్ద చర్యలలో, అల్ట్రాసౌండ్ ఘన ముక్కలను విచ్ఛిన్నం చేస్తుంది మరియు ఉపరితలాల దగ్గర కావిటేషన్ నుండి మైక్రోజెట్ పిట్టింగ్ ద్వారా మరియు సమీపంలోని కావిటేషన్ కుప్పకూలడం ద్వారా ఘనపదార్థాల విచ్ఛిన్నం ద్వారా క్రియాశీల శుభ్రమైన ఉపరితలాలను బహిర్గతం చేస్తుంది. ఇది ఘన రియాక్టెంట్‌కు చర్య కొనసాగడానికి పెద్ద ఉపరితల వైశాల్యాన్ని ఇస్తుంది, ఇది గమనించిన చర్య రేటును పెంచుతుంది.[16][17]

అల్ట్రాసౌండ్ యొక్క అనువర్తనం తరచుగా ఉత్పత్తుల మిశ్రమాలను ఉత్పత్తి చేస్తుంది, అయితే 2007లో నేచర్ జర్నల్‌లో ప్రచురించబడిన ఒక వ్యాసం ఒక నిర్దిష్ట cyclobutane రింగ్-ఓపెనింగ్ చర్యను ఎంపిక చేసి ప్రభావితం చేయడానికి అల్ట్రాసౌండ్ వాడకాన్ని వివరించింది.[18] అతుల్ కుమార్ అల్ట్రాసౌండ్ ఉపయోగించి ఆక్వియస్ మైసెల్లెస్‌లో మల్టీకాంపోనెంట్ రియాక్షన్ హాంట్జ్ ఎస్టర్ సంశ్లేషణను నివేదించారు.[19]

కొన్ని నీటి కాలుష్య కారకాలు, ముఖ్యంగా క్లోరినేటెడ్ ఆర్గానిక్ సమ్మేళనాలు, సోనోకెమికల్‌గా నాశనం చేయబడతాయి.[20]

సోనోకెమిస్ట్రీని బాత్ (సాధారణంగా అల్ట్రాసోనిక్ క్లీనింగ్ కోసం ఉపయోగిస్తారు) ఉపయోగించి లేదా ultrasonic horn అని పిలువబడే అధిక శక్తి ప్రోబ్‌తో చేయవచ్చు, ఇది పీజోఎలెక్ట్రిక్ మూలకం యొక్క శక్తిని ఒక (సాధారణంగా చిన్న) పాయింట్ వద్ద కేంద్రీకరించి నీటిలోకి పంపుతుంది.

సోనోకెమిస్ట్రీని సాధారణంగా కలపడం సాధ్యం కాని లోహాలను వెల్డింగ్ చేయడానికి లేదా లోహ ఉపరితలంపై కొత్త మిశ్రమాలను ఏర్పరచడానికి కూడా ఉపయోగించవచ్చు. ఇది అల్యూమినియం ఫాయిల్ షీట్‌ను ఉపయోగించి అల్ట్రాసోనిక్ క్లీనర్లను క్రమాంకనం చేసే పద్ధతికి దూరంగా సంబంధం కలిగి ఉంటుంది. ఏర్పడిన రంధ్రాలు ఉపరితలం దగ్గర కావిటేషన్ వల్ల కలిగే మైక్రోజెట్ పిట్టింగ్ ఫలితం, పైన పేర్కొన్నట్లుగా. అల్యూమినియం ఫాయిల్ యొక్క పల్చదనం మరియు బలహీనత కారణంగా, కావిటేషన్ త్వరగా ఫాయిల్ యొక్క విచ్ఛిన్నం మరియు నాశనానికి దారితీస్తుంది.

సోనోకెమిస్ట్రీ యొక్క కొత్త తరం ఫంక్షనల్, ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్ పదార్థాల ప్రయోజనాలను ఉపయోగించుకుంటోంది, ఇది పీజోకెటాలిసిస్ అని పిలువబడే అభివృద్ధి చెందుతున్న ప్రక్రియలో సోనోకెమికల్ రియాక్టర్‌లో కెమిస్ట్రీని మరింత మెరుగుపరుస్తుంది.[21][22]

ఇవి కూడా చూడండి

ప్రస్తావనలు

  1. ↑ Suslick, K. S. (1990). “Sonochemistry”. Science. 247 (4949): 1439–45. Bibcode 1990Sci...247.1439S. doi:10.1126/science.247.4949.1439. PMID 17791211. S2CID 220099341.
  2. ↑ Wood, R.W.; Loomis, Alfred L. (1927). “The physical and biological effects of high-frequency sound-waves of great intensity”. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. Informa UK Limited. 4 (22): 417–436. doi:10.1080/14786440908564348. ISSN 1941-5982.
  3. ↑ 3.0 3.1 Suslick, Kenneth S. (1989). “The Chemical Effects of Ultrasound”. Scientific American. Springer Nature. 260 (2): 80–86. Bibcode 1989SciAm.260b..80S. doi:10.1038/scientificamerican0289-80. S2CID 124890298. ISSN 0036-8733.
  4. ↑ Suslick, K. S. (23 March 1990). “Sonochemistry”. Science. American Association for the Advancement of Science (AAAS). 247 (4949): 1439–1445. Bibcode 1990Sci...247.1439S. doi:10.1126/science.247.4949.1439. PMID 17791211. S2CID 220099341. ISSN 0036-8075.
  5. ↑ 5.0 5.1 Suslick, Kenneth S.; Flannigan, David J. (2008). “Inside a Collapsing Bubble: Sonoluminescence and the Conditions During Cavitation”. Annual Review of Physical Chemistry. Annual Reviews. 59 (1): 659–683. Bibcode 2008ARPC...59..659S. doi:10.1146/annurev.physchem.59.032607.093739. PMID 18393682. S2CID 9914594. ISSN 0066-426X.
  6. ↑ 6.0 6.1 Leighton, T.G. The Acoustic Bubble; Academic Press: London, 1994, pp.531–555.
  7. ↑ Suslick, Kenneth S.; Hammerton, David A.; Cline, Raymond E. (1986). “Sonochemical hot spot”. Journal of the American Chemical Society. American Chemical Society (ACS). 108 (18): 5641–5642. Bibcode 1986JAChS.108.5641S. doi:10.1021/ja00278a055. S2CID 100496976. ISSN 0002-7863.
  8. ↑ Flint, E. B.; Suslick, K. S. (20 September 1991). “The Temperature of Cavitation”. Science. American Association for the Advancement of Science (AAAS). 253 (5026): 1397–1399. Bibcode 1991Sci...253.1397F. doi:10.1126/science.253.5026.1397. PMID 17793480. S2CID 22549622. ISSN 0036-8075.
  9. ↑ Suslick, K.S.; Doktycz, S.J. Adv. Sonochem. 1990, 1, 197–230.
  10. ↑ Einhorn, Cathy; Einhorn, Jacques; Luche, Jean-Louis (1989). “Sonochemistry - The Use of Ultrasonic Waves in Synthetic Organic Chemistry”. Synthesis. Georg Thieme Verlag KG. 1989 (11): 787–813. doi:10.1055/s-1989-27398. ISSN 0039-7881.
  11. ↑ Luche, J-L (2 August 1996). “Sonochemical activation in organic synthesis. Part 1” (in French). Comptes rendus de l'Académie des sciences. Série 2, Mécanique, physique, chimie, astronomie. 323: 203-213.
  12. ↑ Pestman, Jolanda M.; Engberts, Jan B. F. N.; de Jong, Feike (1994). “Sonochemistry: Theory and applications”. Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas. Wiley. 113 (12): 533–542. doi:10.1002/recl.19941131202. ISSN 0165-0513.
  13. ↑ Crum, Lawrence A. (1994). “Sonoluminescence”. Physics Today. AIP Publishing. 47 (9): 22–29. Bibcode 1994PhT....47i..22C. doi:10.1063/1.881402. PMID 17771441. ISSN 0031-9228.
  14. ↑ Putterman, S.J. Sci. Am. February 1995, p. 46.
  15. ↑ Suslick, Kenneth S.; Casadonte, Dominick J. (1987). “Heterogeneous sonocatalysis with nickel powder”. Journal of the American Chemical Society. American Chemical Society (ACS). 109 (11): 3459–3461. Bibcode 1987JAChS.109.3459S. doi:10.1021/ja00245a047. S2CID 96340676. ISSN 0002-7863.
  16. ↑ Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (21 September 2011). “Sonofragmentation of Molecular Crystals”. Journal of the American Chemical Society. American Chemical Society (ACS). 133 (37): 14530–14533. Bibcode 2011JAChS.13314530Z. doi:10.1021/ja205867f. PMID 21863903. S2CID 12061434. ISSN 0002-7863.
  17. ↑ Hinman, Jordan J.; Suslick, Kenneth S. (11 January 2017). “Nanostructured Materials Synthesis Using Ultrasound”. Topics in Current Chemistry. Springer Nature. 375 (1): 12. doi:10.1007/s41061-016-0100-9. PMID 28078627. S2CID 29099588. ISSN 2365-0869.
  18. ↑ “Brute Force Breaks Bonds”. Chemical & Engineering News. 22 March 2007.
  19. ↑ Atul Kumar, R.A.Muarya SYNLETT 1987, 109, 3459.https://www.organic-chemistry.org/abstracts/lit2/076.shtm
  20. ↑ González-García, José; Sáez, Verónica; Tudela, Ignacio; Díez-Garcia, María Isabel; Deseada Esclapez, María; Louisnard, Olivier (2 February 2010). “Sonochemical Treatment of Water Polluted by Chlorinated Organocompounds. A Review”. Water. MDPI AG. 2 (1): 28–74. Bibcode 2010Water...2...28G. doi:10.3390/w2010028. ISSN 2073-4441.
  21. ↑ Nan Meng, Wei Liu, Ruyu Jiang, Yu Zhang, Steve Dunn, Jiyue Wu, Haixue Yan Fundamentals, advances and perspectives of piezocatalysis: a marriage of solid-state physics and catalytic chemistry https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101161
  22. ↑ Shuchen Tu, Yuxi Guo, Yihe Zhang, Cheng Hu, Tierui Zhang, Tianyi Ma, Hongwei Huang Piezocatalysis and Piezo-Photocatalysis: Catalysts Classification and Modification Strategy, Reaction Mechanism, and Practical Application https://doi.org/10.1002/adfm.202005158

బాహ్య లింకులు

మూలం: ఇంగ్లీష్ వికీపీడియాలోని “Sonochemistry” వ్యాసానికి అనువాదం. మూల వ్యాసం: https://en.wikipedia.org/wiki/Sonochemistry ఈ అనువాదం స్వయంచాలకంగా రూపొందించబడింది.

Retrieved from "https://ltrc.sciwiki.in/index.php?title=సోనోకెమిస్ట్రీ&oldid=6271"