超声波的核心机理：空化效应

- 超声波的产生与传递：仪器内部的换能器将高频电信号转换为相应频率的机械振动，常见频段在20 kHz至100 kHz之间。振动通过探头传入反应溶液，探头在液体中高速往返振动，类似一个高频小活塞。

- 局部压力变化：探头向外运动时，在液体中产生局部拉伸与负压；向内运动时则产生压缩与正压。

- 空化核的形成与成长：在负压阶段，液体受到拉伸，若拉力超过液体分子间的内聚力，液体会被撕开，形成微小的空腔或气泡，内部通常为溶剂蒸汽或溶解气体。

- 空化气泡的剧烈崩溃：紧随其后的正压阶段使气泡迅速被压缩，在极短时间内（皮秒到纳秒级）发生剧烈崩溃。此过程在气泡内部及周围产生极端的温度、压力和速度梯度，导致局部热点和高强度机械效应的出现。

空化效应在化学反应中的具体作用

- 加速反应速率：高温高压的局部环境提供了额外能量，帮助克服反应活化能，促使反应速率常数显著提升。

- 促进传质与混合：强烈的冲击波与微射流打破界面屏障，提高溶液中各组分的混合与接触效率，尤其在两相或不互溶体系中表现突出。

- 活化催化剂与表面再生：微射流对固体催化剂表面进行清洗和激活，降低失活风险，并暴露出新的高活性表面。

- 促进难以进行的反应：在常规条件下较难实现的反应，在超声辅助下可在相对温和的条件下进行或显著简化条件要求。

- 粒子分散与纳米材料制备：空化力可有效打散团聚的纳米粒子，或将较大颗粒粉碎成更小尺寸，利于纳米材料的制备与分散应用。

超声波与微波的协同效应伟德国际1946

- 两种能量的互补性：微波通过偶极旋转与离子导电对极性分子进行体相、快速且均匀的加热，而超声波通过空化效应在微观尺度创造极端的温度与压力条件以及强大机械力。

- 协同机制：微波提供全局、均匀的热场，确保反应体系迅速达到并维持最适温度；超声波在微观尺度产生“热点”和剧烈的力学作用，开启常规加热难以触发的反应路径。超声波还显著改善传质与混合，提升微波加热的均匀性，避免局部过热。

- 效果与收益：通过两种能量的协同，反应速率通常比单独使用任一技术时快数个数量级，产物选择性和产率也常常得到提升。

总结

在微波-超声波耦合合成仪中，超声波通过空化效应在溶液中创造出瞬时的极端高温高压环境及强大机械力，显著促进反应进程、改善传质、活化催化剂并促进纳米材料生成。结合微波的体相高效加热，两者协同构成一种高效、可控的化学合成工具，显著提升多类反应的效率与产物质量。