haihoang_boy
25-10-2016, 09:35 AM
Trong lĩnh vực địa chất và thăm dò biển và đại dương, sóng siêu âm có vai trò quan tượng, từ địa chất công trình, hình sát mặt bằng, vẽ hình đổ bề thật đáy biển, đến nghiên cứu cấu trúc phân lớp phức tạp của lớp vỏ trái đất nằm sâu dưới đáy đại dương cũng như thăm đò các tài nguyên phong phú trữ trong lòng đáy đại dương.
1. Siêu âm trong nghiên cứu biển và đại đương
1.1. Siêu âm và ngành địa chất biển
Trong lĩnh vực địa chất và thăm dò biển và đại dương, sóng siêu âm có vai trò quan trọng, từ địa chất công trình, hình sát mặt bằng, vẽ hình đổ bề mặt đáy biển, đến nghiên cứu cấu trúc phân lớp phức tạp của lớp vỏ trái đất nằm sâu dưới đáy đại dương cũng như thăm dò các tài nguyên phong phú trữ trong lòng đáy đại dương.
Nhờ sóng siêu âm mà các nhà khoa học đã nghiên cứu đáy đại dương ở quy mô thế giới và phát hiện được rất nhiều điều kỳ lạ. Đó là những dải núi ngầm rất lớn dưới đáy Đại Tây Dương, những khe máng sâu, rộng chạy theo nhiều hướng khác nhau dưới đáy Thái Bình Dương, An Độ Dương, Bắc Băng Dương,...
Bằng phương pháp định vị siêu âm, người ta biết được kết cấu phần lớp địa tầng đáy biển và phát hiện ra nhiều mỏ quặng, các mô nhiên liệu và nhiều tài nguyên có giá trị kinh tế cao.
[Only registered and activated users can see links]
1.2. Siêu âm với ngành cá biển
Gần đây, các thành tựu khoa học kỹ thuật tiên tiến đầu được nghiên cứu, áp dụng vào nghề cá biển, trong đó, kỹ thuật mới hết sức hữu hiệu và có nhiều triển vọng là kỹ thuật siêu âm.
Máy dò cả bằng siêu âm cho phép xác định vị trí, hướng di chuyển và vận tốc của đàn cá trong phạm vi hàng nghìn km. Ngoài ra, thiết bị này còn cho biết mật độ của đàn cá, tính chất gấy (béo) của tim g loại cá. Nhờ vậy, sản lượng cá đã tăng hên đáng kế.
2. Siêu âm trong nghiên cứu khoa học
2.1. Tương tác phonon - electron
Vật rắn có cấu tạo tinh thể bền vững. Các electron liên kết với mạng tinh thể ở những mức độ khác nhau, chỉ có các electron trong vùng dẫn (electron dẫn) tham gia tương tác với song đàn hồi (tức phonon).
Khi có một chùm siêu âm vào tinh thể (bán dẫn, chẳng hạn) sẽ làm phái sinh tương tác giữa phonon và elelctron. Kết quả là có sự trao đổi năng lượng giữa chùm siêu âm và tinh thể bán dẫn thông qua trao đổi năng lượng giữa các phonon và electron.
Nói cách khác, năng lượng của chùm siêu âm bị tiêu hao do sự hấp thụ của tinh thể bán dẫn. Nếu có thể điều khiển quá trình trao đổi năng lượng này theo hướng elelctron sẽ cung cấp thêm năng lượng cho phonon làm cho sóng siêu âm không bị hấp thụ, mà ngược lại được tăng cường thêm.
Trong thường hợp này, tương tác phonon - elelctron đã phát xạ phonon. Một môi trường có khả năng phát xạ phonon do tương tác phonon - electron gọi là môi trường khuếch đại trực tiếp sóng Siêu âm. Hiệu ứng này là cơ Sở để chế tạo máy khuếch đại trực tiếp sóng siêu âm, một phương tiện rất thuận lợi để nghiên cứu cấu trúc của môi trường Vật rắn nói chung. Hầu hết các thông số quan trọng của chất bản dẫn đến liên quan đến hệ số khuếch đại trực tiếp sóng siêu âm.
2.2. Tương tác photon-phonon. Máy phát siêu âm bằng laser
Laser là một thành tựu to lớn của khoa học kỹ thuật hiện đại nói chung và âm lượng từ nói riêng. Dùng một chùm laser chiếu vào một môi trường vật chất để tạo ra tương tác của photon với môi trường ấy. Thực chất. photon sẽ tương tác với các dao động mạng tinh thể (tức tương tác photon - phonon) gây ra hiện tượng tán xạ tổ hợp. Trong tương tác này, các photon không những không hấp thụ phonon mà còn phát xạ phonon nữa (hiện tượng khuếch đại phonon mong môi trường).
Kết quả, tạo ra nguồn phát phonon vùng tần số cực siêu âm với cườn g độ khá cao. Như vậy, tương tác photon – phonon cho phép chếtạo các máy phát sóng siêu âm đã tạo ra khả năng nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến của môi trường bằng cả hai phương pháp - quang học (quang phi tuyển) và âm học (âm phi tuyến).
Đó là sự kết hợp chặt chẽ giữa quang lượng từ và âm lượng từ tạo ra những công cụ hữu hiện để nghiên cứu cấu trúc vật chất. Các máy phát phonon tần số cao, cường độ lớn đã trở thành sản phẩm quý giá trong nghiên cứu khoa học, một phần cũng do sự kết hợp giữa hai lĩnh vực này.
3. Dùng siêu âm để tổng hợp các vật liệu mới.
3. 1. Tổng hợp vật liệu hệ vô cơ- polymer
Mặc dù không được sử dụng thông thường như các vật liệu hữu cơ, các polymer với thành phần chủ yếu là vô cơ có một số tính chất đặc biệt đã làm cho chúng có ý nghĩa về thương mại.
Theo một nghiên cứu, siêu âm sinh ra một gia tốc đáng kể trong việc trùng hợp cation của hợp chất cyclic siloxemes để chế ra các loại nhựa dẻo silicon rất quan trọng. Các polymer được chế tạo dưới tác động siêu âm đã hạn chế sự đa phát tâm, có trọng lượng phân tử lớn hơn so với các polymer được chế tạo trong các điều kiện thông thường.
Trong quá trình tăng sự trùng hợp, acid xúc tác tác động càng nhiều càng dẫn đến phẩm ứng đồng nhất, vì vậy, chiều dài chuỗi polymer giảm đi. Tuy nhiên, sự thoải biển do siêu âm ảnh hưởng đến chiều dài chuỗi polymer cần được nghiên cứu kỹ lưỡng trong suốt giai đoạn cuối cùn g của phản ứng trùng hợp.
3.2. Tổng hợp vật liệu hữu cơ -polymer: Vinyl polymer
Đa số các polymer hữu cơ không được tổng hợp từ Các monomer chứa tương tác liên kết đôi (chẳng hạn như olclins và Vinyl monomers), mà phải trải qua sự phát triển chuỗi hoặc các phản ứng phụ.
Phương pháp tổng hợp đơn giản nhất là bắt đầu từ các gốc tự do trong dung dịch. Các gốc tự do được tạo ra từ hiệu ứng hình thành lỗ hổng do tác động của sóng siêu âm trong chất lỏng.
Siêu âm tạo ra các gốc tự do cần thiết cho phản ứng trùng hợp ban đầu.
Điều này có thể xảy ra theo hai hướng, sự tác động của siêu âm lên các monomer tinh khiết làm phát sinh các gốc tự do thông qua sự phân hủy bên trong bọt khi hoặc ở bề mặt phân giới của nó, hoặc sự phân hủy của các chất phụ gia ban đầu có thể làm tốc độ phản ứng tăng nhanh hơn.
Khi tạo được nhiệt độ, áp suất hơi dun g môi và cường độ siêu âm phù hợp, người ta có thể phán đoán và điều khiển tốc độ của các phản ứng ban đầu.
Tốc độ phản ứng bam đầu ti lệ với nồng độ monomer và phụ thuộc vào căn bậc hai của cường độ siêu âm. Trọng lượng nguyên từ cuối cũng thay đổi nghịch đảo vôi nồng độ monomer và tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của cường độ Siêu âm.
Về cơ bản, tốc độ ban đầu tỉ lệ với số lượng, các vị trí có thể có, nghĩa là phụ thuộc vào cường độ sóng siêu âm ban đầu.
3.3. Tổng hợp vật liệu sinh học
Một ứng dụng quan trọng khác của sóng siêu âm trong phản ứng hóa học là tổng hợp vật
liệu sinh học, đáng chú ý nhất là các tiểu bào tử protein.
Mặc dù, ảnh hướng về mặt hóa học của siêu âm vào các dung dịch có nước đã được nghiên cứu trong nhiều năm nay, nhưng tác động siêu âm trong môi trường có nước đối với Sự tổng hợp vật liệu sinh học mới được quan tâm gần đây, đặc biệt đối với polymer cao cấp.
Cơ chế gây ra sự hình thành tiểu cầu từ là sự tổ hợp của hai hiện tượng âm học: Sự chuyển thành thể sữa và sự hình thành lỗ hổng. Sự chuyển thể sữa dưới tác động của Siêu âm tạo ra sự phân tăm cực
nhỏ của dung dịch protein cần thiết để hình thành các tiếm cầu từ có chứa protein.
Tuy nhiên, chỉ có sự hình thành thể sữa sẽ không đủ để Sinh ra các tiểu cầu từ có thời gian sống dãi. Thời gian sống dài của các tiểu cầu tử do sự lien kết chéo của các lớp protein dưới tác động của siêu âm.
3.4. Tổng hợp vật liệu vô cơ có cấu trúc nano
Các dung dịch rắn được chiết ra từ các thành phần có kích thước nano (sau đây gọi tắt là vật liệu nano) sở hữu nhiều tính chất khác biệt so với các các dung dịch rắn chế tạo theo phương pháp thông thường.
Việc tổng hợp các vật liệu nano bao gồm các kỹ thuật pha khi, các phương pháp pha lỏng và các phương pháp hỗn hợp pha.
Hơn 10 năm trước, các phản ứng hóa học chất xúc tác của các hợp chất hữu cơ kim loại để bay hơi dưới tác động của siêu âm đã được khai thác như một phương pháp thông thường để tổng hợp các vật liệu nano. Sử dụng các điều kiện mạnh bên trong bọt khí sinh lỗ hổng, Suslick và đồng sự đã tạo ra các trạng thái khác nhau của cấu trúc nano và thông thường của các kim loại vô định hình, hợp kim và đã kiểm chứng hoạt tính xúc tác của chúng.
Các hợp chất hữu cơ kim loại đề hay hơi phân hủy bên trong các bọt khi nổ tung. kết quả là các nguyên tử kim loại kết tụ để hình thành các vật liệu_có cấu trúc nano.
3.5. Tổng hợp kim loại vô định hình, hợp kim, chất keo cấu trúc nano
Truyền sóng siêu âm vào các dung dịch chứa các hợp chất hữu cơ kim loại hoạt động để bay hơi làm hình thành sự kết tụ xếp ở mức cao của các đám kim loại vô định hình kích thước nano. Kỹ thuật hóa học dưới tác động của siêu âm (hóa Siêu âm) được sử dụng để tổng hợp các hợp kim có cấu trúc nano
Sự tồn tại các đám kết có kích thước nano trong các vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp hóa siêu âm đưa ra giả thuyết Ià có khả năng các hạt vật liệu bị bẫy trước khi chúng kết tụ. Các vật liệu sắt dưới dạng keo được đặc biệt quan tâm nhờ những ứng dụng quan trọng của chúng trong kỹ thuật, chẳng hạn như dưng dịch sắt.
Chất nhựa có sự phân bổ cỡ hạt tương đối hẹp (khoảng một vài nm) và ở trạng thái siêu thuận từ. Sự phân tấn của Sắt pentacarbonyl dưới tác động của siêu âm với sự có mặt của chất ổn định để chế tạo chất keo từ các hạt sắt có kích thước nano. Các nghiên cứu về tư cho thấy các hạt Sắt dạng keo ở trạng thái siêu thuận tư với mật độ từ hóa bão hôn có giá trị đáng kể
1. Siêu âm trong nghiên cứu biển và đại đương
1.1. Siêu âm và ngành địa chất biển
Trong lĩnh vực địa chất và thăm dò biển và đại dương, sóng siêu âm có vai trò quan trọng, từ địa chất công trình, hình sát mặt bằng, vẽ hình đổ bề mặt đáy biển, đến nghiên cứu cấu trúc phân lớp phức tạp của lớp vỏ trái đất nằm sâu dưới đáy đại dương cũng như thăm dò các tài nguyên phong phú trữ trong lòng đáy đại dương.
Nhờ sóng siêu âm mà các nhà khoa học đã nghiên cứu đáy đại dương ở quy mô thế giới và phát hiện được rất nhiều điều kỳ lạ. Đó là những dải núi ngầm rất lớn dưới đáy Đại Tây Dương, những khe máng sâu, rộng chạy theo nhiều hướng khác nhau dưới đáy Thái Bình Dương, An Độ Dương, Bắc Băng Dương,...
Bằng phương pháp định vị siêu âm, người ta biết được kết cấu phần lớp địa tầng đáy biển và phát hiện ra nhiều mỏ quặng, các mô nhiên liệu và nhiều tài nguyên có giá trị kinh tế cao.
[Only registered and activated users can see links]
1.2. Siêu âm với ngành cá biển
Gần đây, các thành tựu khoa học kỹ thuật tiên tiến đầu được nghiên cứu, áp dụng vào nghề cá biển, trong đó, kỹ thuật mới hết sức hữu hiệu và có nhiều triển vọng là kỹ thuật siêu âm.
Máy dò cả bằng siêu âm cho phép xác định vị trí, hướng di chuyển và vận tốc của đàn cá trong phạm vi hàng nghìn km. Ngoài ra, thiết bị này còn cho biết mật độ của đàn cá, tính chất gấy (béo) của tim g loại cá. Nhờ vậy, sản lượng cá đã tăng hên đáng kế.
2. Siêu âm trong nghiên cứu khoa học
2.1. Tương tác phonon - electron
Vật rắn có cấu tạo tinh thể bền vững. Các electron liên kết với mạng tinh thể ở những mức độ khác nhau, chỉ có các electron trong vùng dẫn (electron dẫn) tham gia tương tác với song đàn hồi (tức phonon).
Khi có một chùm siêu âm vào tinh thể (bán dẫn, chẳng hạn) sẽ làm phái sinh tương tác giữa phonon và elelctron. Kết quả là có sự trao đổi năng lượng giữa chùm siêu âm và tinh thể bán dẫn thông qua trao đổi năng lượng giữa các phonon và electron.
Nói cách khác, năng lượng của chùm siêu âm bị tiêu hao do sự hấp thụ của tinh thể bán dẫn. Nếu có thể điều khiển quá trình trao đổi năng lượng này theo hướng elelctron sẽ cung cấp thêm năng lượng cho phonon làm cho sóng siêu âm không bị hấp thụ, mà ngược lại được tăng cường thêm.
Trong thường hợp này, tương tác phonon - elelctron đã phát xạ phonon. Một môi trường có khả năng phát xạ phonon do tương tác phonon - electron gọi là môi trường khuếch đại trực tiếp sóng Siêu âm. Hiệu ứng này là cơ Sở để chế tạo máy khuếch đại trực tiếp sóng siêu âm, một phương tiện rất thuận lợi để nghiên cứu cấu trúc của môi trường Vật rắn nói chung. Hầu hết các thông số quan trọng của chất bản dẫn đến liên quan đến hệ số khuếch đại trực tiếp sóng siêu âm.
2.2. Tương tác photon-phonon. Máy phát siêu âm bằng laser
Laser là một thành tựu to lớn của khoa học kỹ thuật hiện đại nói chung và âm lượng từ nói riêng. Dùng một chùm laser chiếu vào một môi trường vật chất để tạo ra tương tác của photon với môi trường ấy. Thực chất. photon sẽ tương tác với các dao động mạng tinh thể (tức tương tác photon - phonon) gây ra hiện tượng tán xạ tổ hợp. Trong tương tác này, các photon không những không hấp thụ phonon mà còn phát xạ phonon nữa (hiện tượng khuếch đại phonon mong môi trường).
Kết quả, tạo ra nguồn phát phonon vùng tần số cực siêu âm với cườn g độ khá cao. Như vậy, tương tác photon – phonon cho phép chếtạo các máy phát sóng siêu âm đã tạo ra khả năng nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến của môi trường bằng cả hai phương pháp - quang học (quang phi tuyển) và âm học (âm phi tuyến).
Đó là sự kết hợp chặt chẽ giữa quang lượng từ và âm lượng từ tạo ra những công cụ hữu hiện để nghiên cứu cấu trúc vật chất. Các máy phát phonon tần số cao, cường độ lớn đã trở thành sản phẩm quý giá trong nghiên cứu khoa học, một phần cũng do sự kết hợp giữa hai lĩnh vực này.
3. Dùng siêu âm để tổng hợp các vật liệu mới.
3. 1. Tổng hợp vật liệu hệ vô cơ- polymer
Mặc dù không được sử dụng thông thường như các vật liệu hữu cơ, các polymer với thành phần chủ yếu là vô cơ có một số tính chất đặc biệt đã làm cho chúng có ý nghĩa về thương mại.
Theo một nghiên cứu, siêu âm sinh ra một gia tốc đáng kể trong việc trùng hợp cation của hợp chất cyclic siloxemes để chế ra các loại nhựa dẻo silicon rất quan trọng. Các polymer được chế tạo dưới tác động siêu âm đã hạn chế sự đa phát tâm, có trọng lượng phân tử lớn hơn so với các polymer được chế tạo trong các điều kiện thông thường.
Trong quá trình tăng sự trùng hợp, acid xúc tác tác động càng nhiều càng dẫn đến phẩm ứng đồng nhất, vì vậy, chiều dài chuỗi polymer giảm đi. Tuy nhiên, sự thoải biển do siêu âm ảnh hưởng đến chiều dài chuỗi polymer cần được nghiên cứu kỹ lưỡng trong suốt giai đoạn cuối cùn g của phản ứng trùng hợp.
3.2. Tổng hợp vật liệu hữu cơ -polymer: Vinyl polymer
Đa số các polymer hữu cơ không được tổng hợp từ Các monomer chứa tương tác liên kết đôi (chẳng hạn như olclins và Vinyl monomers), mà phải trải qua sự phát triển chuỗi hoặc các phản ứng phụ.
Phương pháp tổng hợp đơn giản nhất là bắt đầu từ các gốc tự do trong dung dịch. Các gốc tự do được tạo ra từ hiệu ứng hình thành lỗ hổng do tác động của sóng siêu âm trong chất lỏng.
Siêu âm tạo ra các gốc tự do cần thiết cho phản ứng trùng hợp ban đầu.
Điều này có thể xảy ra theo hai hướng, sự tác động của siêu âm lên các monomer tinh khiết làm phát sinh các gốc tự do thông qua sự phân hủy bên trong bọt khi hoặc ở bề mặt phân giới của nó, hoặc sự phân hủy của các chất phụ gia ban đầu có thể làm tốc độ phản ứng tăng nhanh hơn.
Khi tạo được nhiệt độ, áp suất hơi dun g môi và cường độ siêu âm phù hợp, người ta có thể phán đoán và điều khiển tốc độ của các phản ứng ban đầu.
Tốc độ phản ứng bam đầu ti lệ với nồng độ monomer và phụ thuộc vào căn bậc hai của cường độ siêu âm. Trọng lượng nguyên từ cuối cũng thay đổi nghịch đảo vôi nồng độ monomer và tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của cường độ Siêu âm.
Về cơ bản, tốc độ ban đầu tỉ lệ với số lượng, các vị trí có thể có, nghĩa là phụ thuộc vào cường độ sóng siêu âm ban đầu.
3.3. Tổng hợp vật liệu sinh học
Một ứng dụng quan trọng khác của sóng siêu âm trong phản ứng hóa học là tổng hợp vật
liệu sinh học, đáng chú ý nhất là các tiểu bào tử protein.
Mặc dù, ảnh hướng về mặt hóa học của siêu âm vào các dung dịch có nước đã được nghiên cứu trong nhiều năm nay, nhưng tác động siêu âm trong môi trường có nước đối với Sự tổng hợp vật liệu sinh học mới được quan tâm gần đây, đặc biệt đối với polymer cao cấp.
Cơ chế gây ra sự hình thành tiểu cầu từ là sự tổ hợp của hai hiện tượng âm học: Sự chuyển thành thể sữa và sự hình thành lỗ hổng. Sự chuyển thể sữa dưới tác động của Siêu âm tạo ra sự phân tăm cực
nhỏ của dung dịch protein cần thiết để hình thành các tiếm cầu từ có chứa protein.
Tuy nhiên, chỉ có sự hình thành thể sữa sẽ không đủ để Sinh ra các tiểu cầu từ có thời gian sống dãi. Thời gian sống dài của các tiểu cầu tử do sự lien kết chéo của các lớp protein dưới tác động của siêu âm.
3.4. Tổng hợp vật liệu vô cơ có cấu trúc nano
Các dung dịch rắn được chiết ra từ các thành phần có kích thước nano (sau đây gọi tắt là vật liệu nano) sở hữu nhiều tính chất khác biệt so với các các dung dịch rắn chế tạo theo phương pháp thông thường.
Việc tổng hợp các vật liệu nano bao gồm các kỹ thuật pha khi, các phương pháp pha lỏng và các phương pháp hỗn hợp pha.
Hơn 10 năm trước, các phản ứng hóa học chất xúc tác của các hợp chất hữu cơ kim loại để bay hơi dưới tác động của siêu âm đã được khai thác như một phương pháp thông thường để tổng hợp các vật liệu nano. Sử dụng các điều kiện mạnh bên trong bọt khí sinh lỗ hổng, Suslick và đồng sự đã tạo ra các trạng thái khác nhau của cấu trúc nano và thông thường của các kim loại vô định hình, hợp kim và đã kiểm chứng hoạt tính xúc tác của chúng.
Các hợp chất hữu cơ kim loại đề hay hơi phân hủy bên trong các bọt khi nổ tung. kết quả là các nguyên tử kim loại kết tụ để hình thành các vật liệu_có cấu trúc nano.
3.5. Tổng hợp kim loại vô định hình, hợp kim, chất keo cấu trúc nano
Truyền sóng siêu âm vào các dung dịch chứa các hợp chất hữu cơ kim loại hoạt động để bay hơi làm hình thành sự kết tụ xếp ở mức cao của các đám kim loại vô định hình kích thước nano. Kỹ thuật hóa học dưới tác động của siêu âm (hóa Siêu âm) được sử dụng để tổng hợp các hợp kim có cấu trúc nano
Sự tồn tại các đám kết có kích thước nano trong các vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp hóa siêu âm đưa ra giả thuyết Ià có khả năng các hạt vật liệu bị bẫy trước khi chúng kết tụ. Các vật liệu sắt dưới dạng keo được đặc biệt quan tâm nhờ những ứng dụng quan trọng của chúng trong kỹ thuật, chẳng hạn như dưng dịch sắt.
Chất nhựa có sự phân bổ cỡ hạt tương đối hẹp (khoảng một vài nm) và ở trạng thái siêu thuận từ. Sự phân tấn của Sắt pentacarbonyl dưới tác động của siêu âm với sự có mặt của chất ổn định để chế tạo chất keo từ các hạt sắt có kích thước nano. Các nghiên cứu về tư cho thấy các hạt Sắt dạng keo ở trạng thái siêu thuận tư với mật độ từ hóa bão hôn có giá trị đáng kể