神奇的声化学

声化学是指利用超声波 (ultrosound,缩写US)加速化学反应或启动新的反应通道，以提高化学反应产率或获得新的化学反应产物。

声化学效应的实质是空化效应，包括气核的出现、微泡的长大和微泡的爆裂3步 。在机械波作用下 ，流体产生急剧的运动，由于机械波的变化，使溶剂受到压缩和稀疏作用，在机械波的稀疏相区，气泡泡膨胀长大，并为周围的液体蒸气或气体充满。在压缩相区，气穴很快塌陷、破裂，产生大量微泡 ，它们又可以作为新的气核。当前认为，机械波对化学反应的影响，其主要原因就是这些微泡在长大以致突然破裂时能产生很强的冲击波。据估算，在微泡爆裂时，可以在局部空间内产生高达兆帕的压力 ，中心温度可达 3000～5000K ，对机械波场作用的解释，尚未进入分子水平，而是停留在对分子群体的机械作用机制的水平上。例如，对固体表面的气蚀与洁净作用；不混溶液体的乳化作用；微泡爆裂时，冲击波在微空间导致的高温高压对传质和传能的影响。

那么，什么是声音与物质的相互作用呢? 严格地讲，是指声波和物质发生机械的或者是化学的相互作用。早在20世纪60年代以前，学界就已经对声波和物质发生的机械作用进行过深入研究，研究成果也已经被广泛应用。比如，超声医学成像、超声无损检测、声呐系统都可被视为声波和物质(媒质)发生物理作用。而声波与物质又是如何发生化学作用的呢?原来，在固体和气体中，声波不会与媒质发生化学作用，而在液体中(可以是常见的水，也可以是有机液体如烃类、醇类、羚酸类等)，由于声音传播的非线性效应，可以和媒质发生化学作用，这其中的科学机制就是被广泛研究的声波在液体中的“空化效应”

空化效应: 声音与物质的“化学反应”

在当代英国声学家杨的专著《空化效应》一书的引言中，杨回顾了空化效应被发现的历史，他认为其研究历程最早可以追湖至牛顿时代。生顿在研究光学时意外发现了液体中的小气泡的运动一在外压作用下体积的变化，而这正是空化效应所涉及的核心问题。

但是，空化效应真正被重视并开始广泛研究则始于1876年。那一年，英国皇家海军的一艘高速驱逐舰下水试航，但是不久就航速下降，航行噪声增加。工程师对船的螺旋奖进行检查，发现原本光滑的螺旋奖表面出现了大面积被腐蚀的凹点，工程师们不得其解，只好求教著 名的力学家瑞利。瑞利经过长达10余年的研究才发现，螺旋奖表面被腐蚀不是由于海水的化学腐蚀，而是物理机制，水力空化效应是元凶。原来，在螺旋桨快速旋转时，在海水中可以形成压力波，在压力小的区域，海水中的溶解气体(主要是空气)析出，形成小气泡。这些气泡的直径不等，较大的为毫米量级，最小的则是纳米尺度。在压力大的区域，这些气泡被快速压缩，气泡发生非对称变形，从而形成一个锥形的射流束直接冲击螺旋奖表面。由于气泡的压缩过程极短，在纳秒和微秒之间，所以，锥形射流束的速度极高，一般在4~5千米/秒。如此高速的水束冲击金属表面，其形成的压强不低于10万个大气压，任何已知的材料在如此巨大的压强下都会被粉碎，金属螺旋奖表面就是被空化效应的锥形射流束冲击腐蚀的。

直到1911年，瑞利才建立了描述空化效应动力学过程的著 名方程一瑞利方程。通过对这个积分方程的近似解，可以求出空化效应终止后空化泡内的温度不低于3 000开尔文(约2 725.85C)。如此高温足以导致液体媒质和空化泡内的物质发生高温裂解，从而引发一系列的自由基反应。所以，空化效应可以直接在液体媒质中引发化学反应。与这些化学反应相关的一门学科便被称为声化学。

超声化学反应可按介质划分为两大类：①水相中的声化学。在超声作用下，水分解为氢氧自由基和氢原子，由此可诱发出一系列化学反应 。有机卤化物 ，如CH2Cl2 、CHCl3及CCl4在水介质中接受超声作用，使碳氢键断裂，生成自由基。对蛋白质、酶等生物分子的声化学研究表明，声致氧化还原作用是导致很多简单产物的主要机制，例如：②非水液相中的声化学。在该领域的研究工作尚处在起步阶段。研究主要集中在以下几个方面：均相合成反应；金属表面上的有机反应；相转移反应；固液两相界面反应；聚合及高分子解聚反应。

总之，声学是一门与人类的生活、文明和生产息息相关的学科，必将在今后的科技发展中发挥更大的作用。