Sonido y quimica

SONIDOS QUÍMICOS
21-05-1995

La aplicación de ultrasonidos a una disolución química puede permitir alcanzar, sin ningún peligro y por métodos relativamente simples, temperaturas localizadas tan altas como las de la superficie del Sol y presiones tan intensas como las existentes en la más profunda de las simas submarinas.

La vida media de este fenómeno se mide en microsegundos y, frecuentemente, permite incrementar las reactividades químicas por factores superiores al millón de veces. Desde hace unos pocos años los científicos están aprendiendo a conocer y dominar esta nueva técnica, la Sonoquímica, lo que puede traducirse en muy variadas y beneficiosas consecuencias.

ULTRASONIDOS. Los sonidos que percibimos los humanos no son sino ondas particulares que pueden ser captadas por nuestro sistema auditivo. Son ondas de comprensión y expansión, que han de propagarse en medios materiales, es decir, a través de sólidos, líquidos o gases, y que han de poseer un rango de frecuencia comprendido entre 20 hertzios y 16 kilohertzios. Un hertzio significa un ciclo de comprensión o expansión por cada segundo. Un sonido alcanza la clasificación de ultrasonido si su frecuencia supera los 16 kilohertzios, por lo que resultará, en principio, inaudible aunque su intensidad fuese superior a la de un motor a reacción.

En nuestro mundo, la utilización práctica de los ultrasonidos está bastante generalizada. Ejemplos cotidianos son: soldadores y perforadores ultrasónicos; sonares usados en pesca y navegación; examen de materiales industriales mediante ecopulsos; emulsionado de cosméticos y alimentos; diferentes tipos de ecografías médicas como las usadas en las embarazadas o en exámenes diagnósticos; uso de ultrasonidos para disgregar cálculos renales o biliares; baños de limpieza ultrasónica, como los utilizados en joyería; disruptores celulares en los laboratorios; e incluso pequeños instrumentos domésticos como los ahuyentadores de mosquitos u otros animales; las alarmas antirrobo o los emisores de señales. Sin embargo, lo que trataremos en este artículo es otra cosa diferente. Se trata de los efectos de los ultrasonidos de alta intensidad, fundamentalmente sobre medios líquidos, productores del fenómeno conocido como cavitación, del que se derivan interesantes consecuencias dentro de la Química.

El fenómeno de la cavitación fue observado por primera vez hace unos cien años cuando comenzaron a desarrollarse los primeros buques torpederos potentes. Sir John Isaac Thornycroft, arquitecto naval, constructor de esos primeros torpederos, para la Royal Navy observó un hecho interesante. Debido al giro a gran velocidad de los propulsores de los torpedos se formaban unas grandes burbujas o cavidades, cuyo colapso posterior venía acompañado de enormes turbulencias, calor y presión, que eran transmitidos a la superficie de los propulsores de los torpedos ocasionando su rápida erosión.

CAVITACIÓN. Una fuente de ultrasonidos, usualmente, consiste en un extremo piezoeléctrico que se mueve a gran velocidad usando energía eléctrica para ello. En 1927 se descubrió que las fuentes de ultrasonidos, con suficiente intensidad, aplicadas a los líquidos producían también el fenómeno de la cavitación. Pero la consecuencia química de ello, la Sonoquímica, tan solo se inició hace unos diez años, cuando se pudo disponer en los laboratorios de generadores de ultrasonidos eficientes de alta intensidad. Los ultrasonidos poseen unas longitudes de onda comprendidas entre los 10 centímetros y la centésima del milímetro. Ello significa que su tamaño es muy superior al de las moléculas, por lo que sus efectos no pueden ejercitarse a través de una interacción física directa entre las ondas y las moléculas que son alcanzadas por ellas. Lo que ocurre es que las ondas de ultrasonidos pasan al líquido donde el ciclo de expansión produce una presión tan negativa sobre el líquido que hace que localmente se separen las moléculas del líquido, creando allí una verdadera cavidad.

Usualmente ello tiene lugar en los sitios previamente contaminados de la disolución, aquellos en los que existen pequeñas partículas o microburbujas. Las cavidades así formadas absorben la energía procedente de las ondas ultrasónicas y crecen más o menos rápidamente, según cuales sean diversos parámetros y circunstancias conocidos, hasta llegar a un límite. En ese momento se comprime rápidamente la cavidad gaseosa, se colapsa, se produce su implosión, lo que genera una gran cantidad de calor, que puede alcanzar los 5.000 ºC, junto a una gran presión, que puede llegar a las 1000 atmósferas, en un proceso de duración casi instantánea. Todo ello es, pues, un mecanismo que sirve para concentrar, en forma de energía química útil, la energía difusa que portaba la onda ultrasónica.

UTILIDADES. ¿Para qué puede ser útil esa energía?. Se han realizado numerosas investigaciones usando diversas clase de sistemas: líquidos con sólidos en suspensión, mezclas líquidas homogéneas, polímeros en disolución y mezclas heterogéneas, sobre sistemas catalíticos homogéneos y heterogéneos, etcétera. El abanico de posibilidades que se está abriendo es muy amplio, incluyendo el posible uso industrial próximo de algunas de ellas. Por citar algunas de las más prometedoras, en sistemas líquidos que contienen partículas metálicas en suspensión, se puede conseguir que impacten entre sí a velocidades de unos 2.000 kilómetros por hora, con temperaturas tales que es posible su fusión selectiva. Ello se traduce en modificaciones notables en la textura superficial y en la reactividad.

La acción de los ultrasonidos sobre ciertas mezclas de hidrocarburos ha conducido a resultados semejantes a los que se obtienen mediante los complejos sistemas de pirólisis a alta temperatura, que constituyen el fundamento de la compleja industria petroquímica actual. Diversas moléculas de polímeros han sido fragmentadas y modificadas. De gran interés farmacológico y médico, para la dispensación de medicamentos, se considera la obtención de pequeñas microesferas proteináceas que pueden contener en su interior diversas sustancias, incluso líquidos insolubles en agua. Otras consecuciones se refieren a la relativa fácil realización de complejas reacciones orgánicas y organometálicas. La obtención, en medios heterogéneos, de polvos metálicos amorfos tendrá implicaciones tecnológicas ya que, por ejemplo, el polvo amorfo de hierro ha resultado ser un excelente catalizador para la síntesis de combustibles líquidos a partir de monóxido de carbono y de hidrógeno procedentes del tratamiento del carbón. Otro campo importante es la mejora de las propiedades de catalizadores metálicos así como la obtención de nuevos catalizadores heterogéneos, alguno de gran valor. Por ejemplo, los catalizadores para los automóviles, obtenidos por técnicas convencionales, en los que alguno de los componentes tiene un costo superior a las 3.000 pesetas el gramo.

En resumen, los ultrasonidos ya se utilizan normalmente en el procesado industrial de líquidos, así como en la emulsificación, desgasado y dispersión de sólidos. También en el procesado de sólidos: cortes, fusión, limpieza o precipitación. La que ahora se abre es una nueva faceta, la de la Sonoquímica, en la que cabe esperar que las silenciosas ondas de los ultrasonidos hagan posibles transformaciones y modificaciones químicas difíciles de conseguir hasta ahora, el modelado de la reactividad de diversas superficies, la consecución de catalizadores más eficaces, etcétera.