Disruptor celular ultrasónico

Las ondas acústicas, de naturaleza mecánica no se pueden absorber por las moléculas y se tienen que transformar en una forma químicamente útil a través de un proceso indirecto y complejo denominado cavitación. Como todos los sonidos, los ultrasonidos se propagan a través de una serie de olas de compresión y expansión que viajan a través de un medio. Los ciclos de compresión juntan las moléculas del medio mientras que los ciclos de expansión las separan. En un medio líquido, el ciclo de expansión de los ultrasonidos puede generar suficiente presión negativa cómo para romper las fuerzas de cohesión de las moléculas del líquido, separándolas localmente, creando allí una verdadera microcavidad o burbuja. Normalmente, esto tiene lugar en zonas previamente contaminadas de la disolución, donde existan pequeñas partículas, gases disueltos o microburbujas debidas a un proceso de cavitación anterior. Estas burbujas van creciendo en unos cuántos ciclos, desde una medida inferior al micrómetro hasta unas decenas de micrómetros, atrapando vapores o gases del medio. El crecimiento de la cavidad durante cada expansión es ligeramente más grande que el encogimiento durante la compresión. Así, a lo largo de muchos ciclos acústicos, la cavidad va creciendo hasta lograr finalmente una medida crítica con la cual puede absorber eficientemente la energía de la irradiación ultrasónica. En este punto, la cavidad puede crecer rápidamente durante un ciclo acústico adquiriendo una medida inestable con la que ya no puede absorber energía eficientemente. Sin esta energía la cavidad no se puede mantener y el líquido que la rodea entra violentamente a la cavidad, ocasionando su implosión. Esta implosión de la cavidad crea un entorno inusual para reacciones químicas. La rápida compresión de los gases y vapores dentro de la burbuja genera temperaturas y presiones enormes, de hasta 5000 ºC y 1000 atm, respectivamente. Dado que las burbujas son muy pequeñas en comparación con el volumen del líquido que hay alrededor, el calor generado se “disipa” muy rápidamente (> 1010 ºC × s−1), con lo cual las condiciones ambientales se mantienen esencialmente inalteradas. Esta combinación de altas temperaturas, altas presiones y rápido enfriamiento genera unas condiciones difícilmente alcanzables con otras técnicas en la química. Además, el rápido colapso también genera ondas de choque que pueden inducir efectos mecánicos. Debido al impacto se liberan pequeñas partículas sólidas o líquidas. En sistemas líquido-líquido se forman emulsiones, generalmente mucho más estables que las formadas convencionalmente. Los sólidos experimentan fragmentaciones y erosiones, que hacen aumentar las áreas activadas. La cavitación también acelera el transporte de masa y disminuye la re-pasivación por los productos de reacción. El resultado global es un contacto mucho más fácil entre reactivos inmiscibles o poco solubles. Como consecuencia de las condiciones altamente energéticas generadas muchas reacciones químicas pueden ser activadas por sonicación.