L’utilizzo degli ultrasuoni in ambito chimico è alla base della sonochimica, una disciplina che si occupa dello studio delle reazioni chimiche che avvengono in una soluzione irradiata con ultrasuoni. Gli ultrasuoni sono onde acustiche caratterizzate da una frequenza superiore alla capacità dell’orecchio umano di percepirle, in particolare superiore ai 20 MHz, a differenza dei 20 Hz ai 20 MHz udibili dall’uomo.
La Storia della Sonochimica
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Le origini della sonochimica risalgono alla fine del XIX secolo, quando durante i test delle prime torpediniere ad alta velocità nel 1894, si osservarono effetti significativi come vibrazioni e erosione rapida dell’elica della nave con formazione di cavità. Successivamente, gli studi dimostrarono che tali effetti erano dovuti alla cavitazione provocata dalle bolle che implodevano sulla superficie dell’elica. Tuttavia, la vera nascita della sonochimica come disciplina scientifica avvenne negli anni ’80 del secolo scorso, parallelamente all’introduzione di generatori di ultrasuoni ad alta intensità accessibili ed affidabili.
Il Meccanismo di Azione degli Ultrasuoni
Gli ultrasuoni permettono di accelerare le reazioni chimiche agendo come catalizzatori omogenei per i liquidi e catalizzatori eterogenei per i sistemi liquido-liquido o liquido-solido. Grazie alle elevate temperature, pressioni e velocità generate dal collasso delle bolle di cavitazione, gli ultrasuoni forniscono un meccanismo insolito per avviare reazioni chimiche ad alta energia, introducendo grandi quantità di energia termica in brevi periodi. Questo processo è simile alla fotochimica, sebbene si basi sull’eccitazione termica anziché su quella elettronica.
Applicazioni Pratiche della Sonochimica
Un’applicazione pratica della sonochimica riguarda la produzione di nanomateriali attraverso la sintesi di metalli amorfi. Ad esempio, trattando il ferro pentacarbonile Fe(CO)5 in determinate condizioni sotto irraggiamento ultrasonico, è possibile ottenere ferro amorfo con dimensioni delle particelle nell’ordine dei nanometri. Inoltre, la sonochimica è utilizzata per produrre colloidali stabili di ferromagnetiche come la magnetite Fe3O4. Attraverso la decomposizione sonochimica di composti organo-metallici volatili, è possibile ottenere particelle di ferro colloidale con dimensioni controllate e distribuite uniformemente.
La sonochimica svolge un ruolo essenziale nello sviluppo di nuovi materiali e catalizzatori, aprendo la strada a molteplici applicazioni in vari settori industriali e scientifici.L’irradiazione ad alta intensità tramite ultrasuoni viene utilizzata per creare una struttura a strati composta da molibdeno esacarbonile Mo(CO)6 e zolfo disciolto in 1,2,3,5-tetrametilbenzene. Successivamente, il materiale amorfo prodotto viene riscaldato a 450°C sotto un flusso di elio per ottenere MoS2 cristallizzato.
Applicazioni della Sonochimica
La sonochimica trova ampio impiego nei catalizzatori eterogenei, offrendo notevoli vantaggi. Ad esempio, il processo di idrogenazione catalitica degli alcheni utilizzando il nichel come catalizzatore risulta notevolmente migliorato grazie all’irradiazione ultrasonica. A livello macroscopico, le superfici inizialmente cristalline si agglomerano in piccole particelle a causa delle collisioni indotte dalle onde d’urto generate dalla cavitazione provocata dagli ultrasuoni.
Tra le diverse applicazioni della sonochimica vi è anche il trattamento dei fanghi nei impianti di depurazione delle acque reflue. Questo processo si basa sulla distruzione delle cellule batteriche e delle sostanze organiche. Le cellule batteriche rilasciano il loro contenuto, che diventa disponibile per essere consumato da altre specie, mentre le sostanze organiche vengono frammentate in frazioni più piccole e facilmente biodegradabili grazie all’azione dell’ultrasuono.
Durante il processo di cavitazione, le microbolle vengono generate quando un campo ultrasonico viene applicato a un liquido. Queste bolle di cavitazione implosione a temperature e pressioni estremamente elevate, rompendo le particelle di fango nei processi di trattamento dei fanghi di depurazione.
