Les ones acústiques, de naturalesa purament mecànica, no es poden absorbir per les molècules i s’han de transformar en una forma químicament útil a través d’un procés indirecte i complex anomenat cavitació. Com tots els sons, el ultrasons es propaguen a través d’una sèrie d’ones de compressió i expansió que viatgen a través d’un medi. Els cicles de compressió ajunten les molècules del medi mentre que els cicles d’expansió les separen. En un medi líquid, el cicle d’expansió dels ultrasons pot generar suficient pressió negativa com per trencar les forces de cohesió de les molècules del líquid, tot separant-les localment, creant allí una vertadera microcavitat o bombolla. Normalment, això té lloc en zones prèviament contaminades de la dissolució, on existeixin petites partícules, gasos dissolts o microbombolles d’un procés de cavitació anterior. Aquestes bombolles van creixent des d’una mida inferior al micròmetre fins a unes desenes de micròmetres, en uns quants cicles agafant vapors o gasos del medi. El creixement de la cavitat durant cada expansió és lleugerament més gran que l’encongiment durant la compressió. Així, al llarg de molts cicles acústics, la cavitat va creixent fins a assolir finalment una mida crítica amb la qual pot absorbir eficientment energia de la irradiació ultrasònica. En aquest punt, la cavitat pot créixer ràpidament durant un cicle acústic adquirint una mida inestable amb la qual ja no pot absorbir energia eficientment. Sense aquesta energia la cavitat no es pot mantenir, el líquid que l’envolta entra violentament a la cavitat, ocasionant la seva implosió (Fig 3.27).

Fig 3.27

Aquesta implosió de la cavitat crea un entorn inusual per a reaccions químiques. La ràpida compressió dels gasos i vapors dins de la bombolla genera temperatures i pressions enormes, de fins a 5000 ºC i 1000 atm, respectivament. Com que les bombolles són molt petites en comparació amb el volum del líquid que hi ha al voltant, la calor generada es “disipa” molt ràpidament (> 10¹⁰ ºC × s⁻¹), amb la qual cosa les condicions ambientals es mantenen essencialment inalterades. Aquesta combinació d’altes temperatures, altes pressions i ràpid refredament genera unes condicions difícilment assolibles en altres camps de la química.

A més, el ràpid col·lapse també genera ones de xoc que poden induir efectes mecànics. A la interfície entre sistemes bifàsics el col·lapse té lloc de manera no simètrica, amb un raig de líquid creuant la cavitat a una velocitat de centenars de m × s⁻¹. A causa de l’impacte s’alliberen petites partícules sòlides o líquides. En sistemes líquid−líquid es formen emulsions, generalment molt més estables que les formades convencionalment. Els sòlids experimenten fragmentacions i erosions, que fan augmentar les àrees activades. La cavitació també accelera el transport de massa i disminueix la repasivació pels productes de reacció. El resultat global és un contacte molt més fàcil entre reactius immiscibles o poc solubles. Com a conseqüència de les condicions altament energètiques generades moltes reaccions químiques poden ser activades per sonicació.

En alguns casos, la cavitació pot induir una reactivitat química específica (switching sonoquímic), podent canviar la naturalesa dels productes de reacció. En general, la sonicació de dissolucions millora els processos de radicals lliures, mentre que gairebé no afecta els processos polars. En sistemes bifàsics en els quals les reaccions poden seguir un mecanisme polar o radicalari, els ultrasons afavoreixen els segons, tot i que el component mecànic s’afegeix a l’activació química. Si només és possible un mecanisme polar, l’efecte net estarà limitat als efectes mecànics de la cavitació, amb millores de velocitat i de rendiment, però sense switching sonoquímic.

Les reaccions sonoquímiques s’han desenvolupat fonamentalment per a reaccions en fase heterogènia. Quan les bombolles de cavitació es formen a sobre o a prop d’una superfície sòlida el col·lapse de la bombolla no és simètric. La superfície sòlida impedeix el moviment del líquid des del seu costat de manera que la major part del flux de líquid dins de la bombolla serà des de l’altre costat de la bombolla. Com a resultat, es forma un raig líquid dirigit vers la superfície sòlida amb una velocitat d’uns 400 Km × h⁻¹ (Fig 3.28). L’efecte mecànic que en resulta és responsable, per exemple, de l’efectivitat dels ultrasons en la neteja de superfícies. Aquests raigs i les ones de shock associades poden produir una important erosió de superfícies i exposar noves superfícies molt calentes. Les reaccions en fase heterogènia que impliquen l’ús d’un líquid i d’un sòlid (reactiu o catalitzador) o de dues fases líquides només poden tenir lloc als límits de la superfície de contacte, de manera que l’àrea superficial total és molt important per al desenvolupament de la reacció.

La ultrasonicació és un mitjà molt eficient per dispersar sòlids o per emulsionar líquids. En disminuir la mida de la partícula sòlida o de la gota de líquid, l’àrea de la superfície de contacte total s’incrementa, i consegüentment, augmenta la velocitat de reacció. Un altre efecte de la sonicació és la transferència de massa. En sistemes heterogenis, els productes de reacció es van acumulant a la superfície de contacte, la qual cosa impedeix la interacció de noves molècules de reactiu amb aquesta superfície. Les forces de tall mecànic causades pels raigs cavitacionals produeixen un flux turbulent i transport de material des de i cap a les superfícies de les partícules sòlides o de les gotes, de manera que es va maximitzant l’exposició d’uns reactius amb els altres. D’altra banda, la combinació de raigs líquids d’alta velocitat, altes pressions i altes temperatures, i molt elevades velocitats d’escalfament i de refredament que tenen lloc durant la implosió de les bombolles cavitacionals fan de la cavitació ultrasònica un mitjà únic per transferir energia a les reaccions químiques.

Fig. 3.28

S’han descrit pocs exemples de reaccions sonoquímiques en fase homogènia, la qual cosa suggereix que la cavitació és menys efectiva a l’hora de promoure reaccions en aquestes condicions.

La peça clau en qualsevol aparell d’ultrasons és el transductor, un component electromecànic encarregat de generar els ultrasons, mitjançant la conversió de les oscil·lacions elèctriques produïdes per un generador en vibracions mecàniques. Normalment, els transductors es construeixen de ceràmiques piezoelèctriques. L’aplicació d’una diferència de potencial elèctric a través de les cares oposades d’aquest material produeix una expansió o una contracció del material depenent de la polaritat de les càrregues aplicades. Aquestes fluctuacions en les dimensions del material són responsables de la generació de les vibracions ultrasòniques.El principal objectiu de l’aplicació d’ultrasons a les reaccions químiques és millorar-ne la seva velocitat i rendiment i/o induir una reactivitat química específica.