Sonochemistry
રસાયણશાસ્ત્રમાં, સોનોકેમિસ્ટ્રીનો અભ્યાસ પ્રવાહીમાં ધ્વનિ પોલાણની રચનામાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડની અસરને સમજવા સાથે સંબંધિત છે, જેના પરિણામે દ્રાવણમાં રાસાયણિક પ્રવૃત્તિની શરૂઆત અથવા વૃદ્ધિ થાય છે. તેથી, અલ્ટ્રાસાઉન્ડની રાસાયણિક અસરો દ્રાવણમાં રહેલા અણુઓ સાથે અલ્ટ્રાસોનિક ધ્વનિ તરંગની સીધી ક્રિયાપ્રતિક્રિયામાંથી આવતી નથી. પ્રવાહીમાંથી પસાર થતા ધ્વનિ તરંગોના પ્રભાવની જાણ સૌપ્રથમ 1927માં રોબર્ટ વિલિયમ્સ વુડ (1868-1955) અને આલ્ફ્રેડ લી લુમિસ (1887-1975) દ્વારા કરવામાં આવી હતી. આ પ્રયોગ ઊર્જાની આવર્તન વિશે હતો જે સોનિક તરંગોને પાણીના અવરોધમાં "પ્રવેશ" કરવા માટે લાગી હતી. તેઓ એવા નિષ્કર્ષ પર આવ્યા કે ધ્વનિ પાણીમાં ઝડપથી મુસાફરી કરે છે, પરંતુ પૃથ્વીના વાતાવરણની તુલનામાં પાણીની ઘનતાને કારણે સોનિક તરંગોને તેમની ઊર્જાને પાણીમાં જોડવાનું અવિશ્વસનીય રીતે મુશ્કેલ હતું. અચાનક ઘનતા પરિવર્તનને કારણે, મોટાભાગની ઊર્જા ખોવાઈ જાય છે, જે કાચના ટુકડા તરફ વીજળીની હાથબત્તીને ચમકવા જેવી જ હોય છે; થોડો પ્રકાશ કાચમાં પ્રસારિત થાય છે, પરંતુ તેનો મોટાભાગનો ભાગ બહારની તરફના પ્રતિબિંબમાં ખોવાઈ જાય છે. તેવી જ રીતે હવા-પાણીના આંતરછેદ સાથે, લગભગ તમામ અવાજ પાણીમાં પ્રસારિત થવાને બદલે પાણીમાંથી પ્રતિબિંબિત થાય છે. ઘણા સંશોધન પછી તેઓએ નક્કી કર્યું કે પાણીમાં અવાજ ફેલાવવાનો શ્રેષ્ઠ માર્ગ અવાજની સાથે પરપોટા બનાવવાનો છે. બીજો મુદ્દો એ હતો કે તે બિંદુથી પાણીના શરીરના બીજા છેડા પરના બિંદુ સુધીના સમયની સરખામણીમાં, પરપોટાની દિવાલોમાં પ્રવેશવા અને પરપોટાની આસપાસ પાણી સુધી પહોંચવામાં ઓછી આવર્તનવાળા તરંગોને કેટલો સમય લાગ્યો તેનો ગુણોત્તર હતો. પરંતુ આ લેખના ક્રાંતિકારી વિચારો હોવા છતાં તે મોટાભાગે કોઈનું ધ્યાન ગયું ન હતું. સોનોકેમિસ્ટ્રીએ 1980 ના દાયકામાં ઉચ્ચ-તીવ્રતાના અલ્ટ્રાસાઉન્ડના સસ્તા અને વિશ્વસનીય જનરેટરના આગમન સાથે પુનરુજ્જીવનનો અનુભવ કર્યો, જે મોટાભાગે પીઝોઇલેક્ટ્રિક તત્વોની આસપાસ આધારિત છે. ભૌતિક સિદ્ધાંતો અલ્ટ્રાસોનિક ફ્રીક્વન્સીઝ પર પ્રવાહી દ્વારા ફેલાતા ધ્વનિ તરંગોની તરંગલંબાઇ પરમાણુ પરિમાણો અથવા અણુમાં અણુઓ વચ્ચેના બંધનની લંબાઈ કરતાં ઘણી ગણી લાંબી હોય છે. તેથી, ધ્વનિ તરંગ બંધની કંપન ઊર્જાને સીધી અસર કરી શકતું નથી, અને તેથી અણુની આંતરિક ઊર્જામાં સીધો વધારો કરી શકતું નથી. તેના બદલે, ધ્વનિ રસાયણશાસ્ત્ર એકોસ્ટિક પોલાણમાંથી ઉદભવે છેઃ પ્રવાહીમાં પરપોટાની રચના, વૃદ્ધિ અને ગર્ભિત પતન. આ પરપોટાનું પતન લગભગ એડિયાબેટિક પ્રક્રિયા છે, જેના પરિણામે પરપોટાની અંદર ઊર્જાનું મોટા પાયે નિર્માણ થાય છે, પરિણામે સોનિકેટેડ પ્રવાહીના માઇક્રોસ્કોપિક પ્રદેશમાં અત્યંત ઊંચા તાપમાન અને દબાણમાં પરિણમે છે. ઊંચા તાપમાન અને દબાણને પરિણામે પરપોટાની અંદર અથવા તેની નજીક કોઈપણ પદાર્થની રાસાયણિક ઉત્તેજના થાય છે કારણ કે તે ઝડપથી ફાટી જાય છે. સોનોલ્યુમિનેસન્સ, પ્રાથમિક અને ગૌણ રેડિકલ પ્રતિક્રિયાઓની રચનાને કારણે દ્રાવણમાં રાસાયણિક પ્રવૃત્તિમાં વધારો, અને નવી, પ્રમાણમાં સ્થિર રાસાયણિક પ્રજાતિઓની રચના દ્વારા રાસાયણિક પ્રવૃત્તિમાં વધારો જે રાસાયણિક અસરો પેદા કરવા માટે દ્રાવણમાં વધુ ફેલાઈ શકે છે (ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે પાણી અલ્ટ્રાસાઉન્ડના સંપર્કમાં આવે છે ત્યારે તૂટી પડતા પરપોટાની અંદર પાણીની વરાળના વિયોજનને પગલે બે હાઇડ્રોક્સિલ રેડિકલના સંયોજનમાંથી હાઇડ્રોજન પેરોક્સાઇડની રચના) સહિત એકોસ્ટિક પોલાણમાંથી વિવિધ પરિણામો પરિણમી શકે છે. ઉચ્ચ તીવ્રતાના અવાજ અથવા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સાથે ઇરેડિયેશન પર, એકોસ્ટિક પોલાણ સામાન્ય રીતે થાય છે. પોલાણ-અવાજ સાથે વિકિરિત પરપોટાની રચના, વૃદ્ધિ અને ગર્ભિત પતન-એ સોનોકૈમિસ્ટ્રી અને સોનોલ્યુમિનેસન્સ માટે પ્રોત્સાહન છે. પ્રવાહીમાં પરપોટાનું પતન પ્રવાહી ગતિની ગતિ ઊર્જાને પરપોટાની સામગ્રીને ગરમ કરવામાં રૂપાંતરિત કરવાથી પ્રચંડ માત્રામાં ઊર્જા ઉત્પન્ન કરે છે. પોલાણ દરમિયાન પરપોટાનું સંકોચન થર્મલ પરિવહન કરતાં વધુ ઝડપી હોય છે, જે અલ્પજીવી સ્થાનિક હોટ-સ્પોટ પેદા કરે છે. પ્રાયોગિક પરિણામો દર્શાવે છે કે આ પરપોટાનું તાપમાન 5000 કેલ્વિનની આસપાસ હોય છે, આશરે 1000 એટીએમનું દબાણ હોય છે અને ગરમી અને ઠંડકનો દર 1010 કેલ્વિન/સેકન્ડથી ઉપર હોય છે. આ પોલાણ અન્યથા ઠંડા પ્રવાહીમાં ભારે ભૌતિક અને રાસાયણિક પરિસ્થિતિઓ પેદા કરી શકે છે. ઘન પદાર્થો ધરાવતા પ્રવાહીમાં, અલ્ટ્રાસાઉન્ડના સંપર્કમાં આવી જ ઘટના બની શકે છે. એકવાર વિસ્તૃત નક્કર સપાટીની નજીક પોલાણ થાય છે, ત્યારે પોલાણનું પતન બિનપરંપરાગત હોય છે અને પ્રવાહીના ઝડપી ગતિના વિમાનોને સપાટી પર લઈ જાય છે. આ વિમાનો અને સંબંધિત આઘાત તરંગો હવે ખૂબ ગરમ સપાટીને નુકસાન પહોંચાડી શકે છે. પ્રવાહી-પાવડર સસ્પેન્શન ઉચ્ચ વેગ આંતરકણ અથડામણ પેદા કરે છે. આ અથડામણ સપાટીની આકારવિજ્ઞાન, રચના અને પ્રતિક્રિયાત્મકતામાં ફેરફાર કરી શકે છે. સોનોકેમિકલ પ્રતિક્રિયાઓ સોનોકેમિકલ પ્રતિક્રિયાઓના ત્રણ વર્ગો અસ્તિત્વ ધરાવે છેઃ પ્રવાહીની સજાતીય સોનોકેમિસ્ટ્રી, પ્રવાહી-પ્રવાહી અથવા ઘન-પ્રવાહી પ્રણાલીઓની વિજાતીય સોનોકેમિસ્ટ્રી, અને, ઉપરોક્ત, સોનોકેટાલિસિસ (અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સાથે રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાના દરમાં ઉત્પ્રેરણ અથવા વધારો) સાથે ઓવરલેપ થાય છે. સોનોલ્યુમિનેસન્સ એ સમાન પોલાણની ઘટનાનું પરિણામ છે જે સજાતીય સોનોકેમિસ્ટ્રી માટે જવાબદાર છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ દ્વારા પ્રતિક્રિયાઓની રાસાયણિક વૃદ્ધિ શોધવામાં આવી છે અને મિશ્ર તબક્કાના સંશ્લેષણ, સામગ્રી રસાયણશાસ્ત્ર અને બાયોમેડિકલ ઉપયોગોમાં ફાયદાકારક ઉપયોગો ધરાવે છે. કારણ કે પોલાણ માત્ર પ્રવાહીમાં જ થઈ શકે છે, રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ ઘન અથવા ઘન-વાયુ પ્રણાલીઓના અલ્ટ્રાસોનિક ઇરેડિયેશનમાં જોવા મળતી નથી. ઉદાહરણ તરીકે, રાસાયણિક ગતિશાસ્ત્રમાં, એવું જોવા મળ્યું છે કે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સંખ્યાબંધ પ્રણાલીઓમાં રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાત્મકતામાં લાખો ગણો વધારો કરી શકે છે; અસરકારક રીતે વિજાતીય ઉત્પ્રેરકોને સક્રિય કરવા માટે કામ કરે છે. વધુમાં, પ્રવાહી-ઘન ઇન્ટરફેસો પરની પ્રતિક્રિયાઓમાં, અલ્ટ્રાસાઉન્ડ નક્કર ટુકડાઓને તોડી નાખે છે અને સપાટીઓની નજીકના પોલાણમાંથી માઇક્રોજેટ પિટિંગ દ્વારા અને નજીકના પોલાણ પતન દ્વારા ઘન પદાર્થોના વિભાજન દ્વારા સક્રિય સ્વચ્છ સપાટીઓને ખુલ્લી પાડે છે. આ નક્કર પ્રતિક્રિયાકારકને પ્રતિક્રિયા આગળ વધવા માટે સક્રિય સપાટીઓનો મોટો સપાટી વિસ્તાર આપે છે, જે પ્રતિક્રિયાના અવલોકન દરમાં વધારો કરે છે., જ્યારે અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ ઘણીવાર ઉત્પાદનોના મિશ્રણ પેદા કરે છે, ત્યારે નેચર જર્નલમાં 2007 માં પ્રકાશિત થયેલા એક પેપરમાં ચોક્કસ સાયક્લોબ્યુટેન રિંગ-ઓપનિંગ પ્રતિક્રિયાને પસંદગીયુક્ત રીતે અસર કરવા માટે અલ્ટ્રાસાઉન્ડના ઉપયોગનું વર્ણન કરવામાં આવ્યું છે. અતુલ કુમારે અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ કરીને જલીય મિસેલ્સમાં બહુ-ઘટક પ્રતિક્રિયા હેન્ટ્ઝસ્ક એસ્ટર સંશ્લેષણની જાણ કરી છે. કેટલાક જળ પ્રદૂષકો, ખાસ કરીને ક્લોરિનેટેડ કાર્બનિક સંયોજનોને સોનોકેમિકલી રીતે નાશ કરી શકાય છે. સોનોકેમિસ્ટ્રી સ્નાન (સામાન્ય રીતે અલ્ટ્રાસોનિક સફાઈ માટે વપરાય છે) નો ઉપયોગ કરીને અથવા ઉચ્ચ પાવર પ્રોબ સાથે કરી શકાય છે, જેને અલ્ટ્રાસોનિક હોર્ન કહેવાય છે, જે પીઝોઇલેક્ટ્રિક તત્વની ઊર્જાને પાણીમાં ફેરવે છે, જે એક (સામાન્ય રીતે નાના) બિંદુ પર કેન્દ્રિત થાય છે. સોનોકેમિસ્ટ્રીનો ઉપયોગ ધાતુઓને જોડવા માટે પણ થઈ શકે છે જે સામાન્ય રીતે જોડવાનું શક્ય નથી, અથવા ધાતુની સપાટી પર નવીન મિશ્રધાતુઓ બનાવે છે. આ એલ્યુમિનિયમ વરખની શીટનો ઉપયોગ કરીને અને છિદ્રોની ગણતરી કરીને અલ્ટ્રાસોનિક ક્લીનર્સને માપાંકન કરવાની પદ્ધતિ સાથે દૂરથી સંબંધિત છે. રચાયેલા છિદ્રો સપાટીની નજીક પોલાણના પરિણામે માઇક્રોજેટ પિટિંગનું પરિણામ છે, જેમ કે અગાઉ ઉલ્લેખ કર્યો છે. એલ્યુમિનિયમ વરખના પાતળા અને નબળાઈને કારણે, પોલાણ ઝડપથી વિભાજન અને વરખના વિનાશમાં પરિણમે છે. આ પણ જુઓ અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સોનિકેશન અલ્ટ્રાસોનિક હોમોજિનાઇઝર હોમોજિનાઇઝેશન (રસાયણશાસ્ત્ર) સોનોઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી કેનેથ એસ. સુસ્લીક સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ પ્રો. કે. એસ. સુસ્લીક સોનોકેમિસ્ટ્રી દ્વારા અલ્ટ્રાસાઉન્ડની રાસાયણિક અને ભૌતિક અસરો-ટૂંકી સમીક્ષા અને તાજેતરનું સાહિત્ય સોનોકેમિસ્ટ્રીઃ ગ્રેગરી ચેટેલ દ્વારા ગ્રીન રસાયણશાસ્ત્ર માટે નવી તકો (યુનિવર્સિટી સેવોઈ મોન્ટ બ્લેન્ક, ફ્રાન્સ) ભૌતિક ઘટના રસાયણશાસ્ત્ર ક્વોન્ટમ રસાયણશાસ્ત્ર પ્રવાહી ગતિશીલતા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ધ્વનિશાસ્ત્ર