УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КАВИТАЦИЯ

Это статья посвящается ультразвуковой кавитации, которая используется в аппаратной косметологии в качестве безоперационной липосакции.

Ультразвуковая кавитация - возникновение в жидкости, облучаемой ультразвуком, пульсирующих и захлопывающихся пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью.
Кавитационные пузырьки в распространяющейся в жидкости ультразвуковой волне возникают и расширяются во время полупериодов разрежения и сжимаются после перехода в область повышенного давления.
В идеальных однородных жидкостях пузырьки могут возникнуть лишь при весьма высоких растягивающих усилиях (отрицательных давлениях), превосходящих прочность жидкости.
Прочность реальных жидкостей довольно низка из-за того, что в них всегда достаточно много зародышей кавитации – микропузырьков газа, пылинок гидрофобных частиц и т. д. Возможно также, что зародыши кавитации непрерывно возникают при прохождении через жидкость космических частиц, а затем снова растворяются. Пузырьки газа с диаметром 10-5 см, по-видимому, могут сколь угодно находиться в воде, если их поверхность стабилизирована органическими загрязнениями, обычно присутствующими в «чистой» воде.
Кроме того, предполагается, что микропузырьки газа, даже не стабилизированные органикой, в принципе, не могут раствориться из-за особенностей структуры воды в межфазном слое жидкость - газ, ограничивающем пузырек.
Порогом кавитации называется интенсивность ультразвука, ниже которой не наблюдаются кавитационные явления. Порог кавитации зависит от параметров, характеризующих как ультразвук, так и саму жидкость.
Для воды и водных растворов пороги кавитации возрастают с увеличением частоты ультразвука и уменьшением времени воздействия.
При расширении пузырьков-зародышей, попадающих в область пониженного давления, в пузырек испаряется жидкость и диффундирует растворенный в жидкости газ. Если температура жидкости значительно ниже точки кипения, то пузырьки растут главным образом в результате диффузии.
При повышении давления в следующую половину периода колебания пузырек сжимается, направление диффузии меняется, и молекулы диффундируют из пузырька в жидкость. Количество продиффундировавшего газа пропорционально площади поверхности пузырька. Эта площадь в стадии сжатия меньше, чем в стадии расширения. Поэтому количество газа, попадающего в пузырек при расширении, несколько больше количества газа, выходящего из пузырька при его сжатии. Поэтому после каждого цикла сжатия-растяжения в пузырьке остается избыток газа.
Накопление газа в пузырьке, обусловливающее рост среднего размера пузырька в поле переменного давления, называется выпрямленной, или направленной, диффузией.
Диффузионный механизм обеспечивает сравнительно медленный рост зародышей, и при высокой частоте ультразвука они успевают совершить значительное число пульсаций, прежде чем достигнут резонансных размеров. Амплитуда пульсации пузырька с резонансными размерами (для данной частоты ультразвука) будет максимальной.
Пульсирующие в течение многих периодов пузырьки называются стабильными полостями, а само явление, связанное с существованием в жидкости таких пузырьков, - стабильной кавитацией.
Повышение интенсивности ультразвука приводит к нестабильной кавитации: пузырьки довольно быстро (за несколько периодов) достигают резонансного размера, стремительно расширяются, после чего резко захлопываются.
Предполагается, что при захлопывании содержащаяся в пузырьке парогазовая смесь, адиабатически (не успевая обменяться теплом с окружающей средой) сжимается до давления 105 Па (300 атм) и нагревается до температур порядка 8000 - 12000 К. Известно, что уже при 2000 К около 0,01 % молекул Н2О внутри пузырька диссоциируют на водородные и гидроксильные свободные радикалы. Эти радикалы могут рекомбинировать с образованием электронно-возбужденных состояний молекул Н2О*:
При переходе молекул Н2О* из электронио-возбуждепного состояния в основное высвечивается квант света - происходит сонолюминесценция.
Свободные Н и ОН радикалы могут диффундировать в раствор и вступать в реакции с растворителем или растворенными веществами, инициируя радикальные химические процессы.
Захлопывающиеся кавитационные пузырьки порождают в жидкости мощные импульсы давления и ударные волны.
Кавитация в жидкости сопровождается различными явлениями:
- характерным шумом во всем диапазоне частот и сильным акустическим сигналом на частоте, равной половине частоты ультразвука, вызвавшего кавитацию;
- ускорением одних химических реакций и инициированием других;
- интенсивными микропотоками и ударными волнами, способными перемешивать слои жидкости и разрушать поверхности граничащих с кавитирующей жидкостью твердых тел;
- ультразвуковым свечением а также различными биологическими эффектами.
Вследствие концентрирования энергии в очень малых объемах ультразвук может вызывать такие явления, как разрыв химических связей макромолекул, инициирование химических реакций, эрозию поверхностей твердых тел и свечение.
Кавитация в суспензии клеток
При повышении интенсивности ультразвука до значений, когда в среде возникают механические усилия, сравнимые с прочностью клеточных мембран, начинается процесс разрушения клеток.
Обычно появление значительных механических возмущений в жидкостях связано с возникновением в них стабильных и нестабильных газовых пузырьков, которые могут образоваться в воде и водных средах, если интенсивность ультразвука превышает порог кавитации.
Так, клетки одноклеточной водоросли начинают разрушаться при средней интенсивности, равной 0,2-0,3 Вт/см2, при частоте 1 МГц, что соответствует порогу кавитации в водных суспензиях с небольшой концентрацией клеток.
При высоких частотах ультразвукового воздействия на суспензию клеток механизмы разрушения также имеют механическую природу. Пороговая интенсивность ультразвука, вызывающего гибель клеток, зависит как от частоты ультразвука, так и от типа клеток.
Например, порог разрушающего действия ультразвука для клеток одной из популяций элодеи равен 75 мВт/см2 и находится в области 0,65 МГц, а для двух других популяций элодеи гибельная для клеток минимальная интенсивность равна 180 мВт/см2 (5 МГц).
Ультразвуковая дезинтеграция клеток получила широкое применение в биотехнологии, и биохимических и вирусологических исследованиях для выделения отдельных веществ или фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической резистентности клеточных мембран.

След. »