Ультразвук под микроскопом – как механические волны контролируют реакционную способность в жидкой среде
В исследовании сотрудников ИОХ РАН было впервые наглядно визуализировано воздействие ультразвука на жидкость. Использование эффекта стоячих механических волн, возникающих в жидкой реакционной смеси под действием внешнего источника ультразвука, позволяет управлять её структурой на микро-уровне и влиять на результат протекающих в ней химических превращений
В наши дни ультразвук повсеместно применяется в медицине, промышленности и целом ряде высокотехнологичных отраслей. Особенности взаимодействия ультразвука с различными веществами активно изучаются с целью разработки новых методов для биологии, медицины, химии и материаловедения. Высокоинтенсивный ультразвук зарекомендовал себя как инструмент для осуществления химических превращений в экстремальных условиях благодаря своей способности генерировать большое количество энергии в объеме жидкости за счёт явления акустической кавитации. Стоячие же механические волны в жидкости нашли применение в процессах нефтепереработки и пищевых технологиях.
В исследовании сотрудников Института органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН (ИОХ РАН) при помощи метода жидкостной электронной микроскопии с использованием специально разработанного ультразвукового микро-реактора было впервые наглядно визуализировано воздействие ультразвука на жидкость. Ученые обнаружили, что микро-структурированные растворы на основе воды и ионных систем взаимодействуют со звуковыми волнами высокой частоты, что приводит перестройке внутренней структуры раствора, сопровождающейся изменением его физико-химических свойств.
Объединение эффекта стоячих механических волн, возникающих под действием ультразвука, и уникальных структурных и физико-химических свойств исследованных водных систем позволило осуществить управляемый синтез широко востребованных металлических наночастиц золота и палладия.
Рисунок: Химическое использование эффекта механических волн, возникающих в системе ионная жидкость (ИЖ)/вода под действием ультразвука, для управления реакцией получения металлических наночастиц.
Облучение реакционной смеси, содержащей водорастворимую соль металла, воду и ионную жидкость, ультрафиолетом позволило получить желаемые частицы металлов без использования дополнительных реагентов. При этом проведение реакции в условиях непрерывной генерации механических волн приводило к существенному уменьшению размеров частиц за счёт смены режима протекания реакции и локализации реагентов в микро-каплях, что было наглядно продемонстрировано при помощи электронной микроскопии.
Исследование механизма обнаруженного явления при помощи жидкостной электронной микроскопии, а также методов инфракрасной спектроскопии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса позволило предположить, что эффект механических волн заключается в переносе воды между различными фазами, а также в её частичном испарении с образованием нового устойчивого состояния, существующего за счёт притока механической энергии.
В настоящее время жидкие среды на основе воды и ионных жидкостей находят широкое применение в различных сферах, которые не ограничиваются лишь химией нано-материалов, а включают в себя также органический синтез, переработку возобновляемых природных ресурсов, создание устройств генерации и хранения энергии и другие. В связи с этим обнаруженное явление может в ближайшем будущем найти ещё больше приложений в лабораторной, промышленной и даже бытовой практике.
Работа выполнена в лаборатории В.П.Ананикова и опубликована в недавно созданном флагманском журнале открытого доступа Американского химического общества (“JACS Gold”, An Open Access Journal of the American Chemical Society).
Ссылка:
Kashin A.S., Degtyareva E.S., Ananikov V.P., "Visualization of Mechanical Wave Effect on Liquid Microphases and Its Application for the Tuning of Dissipative Soft Microreactors ", JACS Au, 2021, doi: 10.1021/jacsau.0c00024
Источник: Нанометр