Ученые смогли «увидеть» ультразвук

Химическое использование эффекта механических волн, возникающих в системе ионная жидкость (ИЖ)/вода под действием ультразвука, для управления реакцией получения металлических наночастиц

Валентин Анаников

Новое исследование сотрудников Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (ИОХ РАН) впервые наглядно визуализировало воздействие ультразвука на жидкость. Использование эффекта стоячих механических волн, возникающих в жидкой реакционной смеси под действием внешнего источника ультразвука, позволяет управлять ее структурой на микроуровне и влиять на результат протекающих в ней химических превращений. Работа опубликована в недавно созданном флагманском журнале открытого доступа Американского химического общества JACS Gold.

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 счет явления акустической кавитации. Стоячие же механические волны в жидкости нашли применение в процессах нефтепереработки и пищевых технологиях.

В исследовании сотрудников ИОХ РАН, выполненном в лаборатории академика РАН Валентина Ананикова при помощи метода жидкостной электронной микроскопии с использованием специально разработанного ультразвукового микрореактора было впервые наглядно визуализировано воздействие ультразвука на жидкость. Ученые обнаружили, что микроструктурированные растворы на основе воды и ионных систем взаимодействуют со звуковыми волнами высокой частоты, что приводит к 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.

Облучение ультрафиолетом реакционной смеси, содержащей водорастворимую соль металла, воду и ионную жидкость, 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 счет 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 ее частичном испарении с образованием нового устойчивого состояния, существующего за счет 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 еще больше приложений в лабораторной, промышленной и даже бытовой практике.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.