Ультразвуковая кавитация (липосакция)

Ультразвуковая кавитация - внедрение  в жидкость, облучаемой ультразвуком, пульсирующих и закрывающихся  пузырьков, наполненных  паром, газом или их смесью.

Кавитационные пузырьки в самой  жидкости ультразвуковой волне появляются  и увеличиваются  во время  разрежения и сжимаются после попадания  в область высокого  давления.

В идеальных однородных жидкостях пузырьки могут появиться  лишь при очень  высоких растягивающих колебаниях  (низких  давлениях), превышающих  прочность жидкости.
Прочность таких   жидкостей будет  низка из-за того, что в них всегда бывает  много зародышей кавитации - микропузырьков газа, пылинок гидрофобных частиц и т. д.

Возможно также, что зародыши кавитации часто возникают при внедрении через жидкость космических частиц, а потом снова распадаются. Пузырьки газа с диаметром 10-5 см, видимо , могут всегда  находиться в воде, если их поверхность не вызвана  природными  загрязнениями, обычно находящимися в "чистой" воде.

Получается , что микропузырьки газа, которые  не стабилизированы органикой, вообще , не могут раствориться из-за особенностей функций  воды в межфазном слое жидкость - газ, ограничивающем пузырек.

Уровнем  кавитации называется рост  ультразвука, ниже которого не наблюдаются кавитационные явления. Уровень  кавитации зависит от степеней, характеризующих как ультразвук, так и данную  жидкость.

Для воды и водных растворов стадии  кавитации растут  с увеличением частоты ультразвука и уменьшением времени воздействия.

При расширении пузырьков-зародышей, находящихся  в области  низкого  давления, в пузырек испаряется жидкость и уменьшает  растворенный в жидкости газ. Если температура жидкости довольно  низкая , то пузырьки начинают расти  в результате сужения.

При увеличении давления в следующей стадии колебания пузырек уменьшается, направление диффузии меняется, и молекулы превращаются  из пузырька в жидкость. Количество уменьшающего   газа равняется  площади поверхности пузырька. Эта площадь значительно меньше, чем в стадии расширения. Поэтому количество газа, находящегося в пузырьке при расширении, значительно  увеличивает  количества газа, который выходит из  пузырька при его сжатии.

Поэтому после каждого сжатия-растяжения в пузырьке получается  избыток газа.
Избыток  газа в пузырьке, провоцирует  рост среднего размера пузырька в поле, где меняется давление, и этот процесс  называется выпрямленной, или направленной, диффузией.

Меняющийся механизм обеспечивает довольно  медленный рост зародышей, и при повышенной  частоте ультразвука они могут  совершить большое число колебаний, при этом  могут достигнуть  глобальных  размеров. Амплитуда колебания  пузырька с глобальными  размерами (для определенной  частоты ультразвука) будет максимальной.

Пульсирующие в течение долгих периодов пузырьки называют стабильными полостями, а сам  процесс этих  в жидкости этих  пузырьков, - стабильной кавитацией.

Увеличение  интенсивности ультразвука может привести  к нестабильной кавитации: пузырьки мгновенно достигают огромного  размера, стремительно расширяются, затем  резко закрываются.

Подразумевают, что при закрытии  находящаяся внутри пузырька  парогазовая смесь, адиабатически (не успевает обменяться своим теплом с окружающей средой) становится меньше, и достигает давления 105 Па (300 атм) далее  нагревается до температур 8000 - 12000 К. Получается, что уже при 2000 К около 0,01 % молекул Н2Ов самом  пузырьке имеются  водородные и свободные радикалы. Они могут  меняться  с образованием различных состояний молекул Н2О*:

При переходе молекул Н2О* из возбужденного  состояния в основное появляется  квант света - получается  сонолюминесценция.
Свободные Н и ОН радикалы могут превращаться  в раствор и вступать в реакции с растворителем или растворенными веществами, сопровождая  радикальные химические процессы.
Закрывающиеся  кавитационные пузырьки вызывают  в жидкости сильные  колебания давления и ударные волны.

Кавитация в жидкости сопровождается определенными явлениями:

• характерным шумом во всем интервале  частот и сильным акустическим сигналом на частоте, которая равняется  половине частоты ультразвука, вызвавшего кавитацию;
• усиление одних химических реакций и вызыванием других;
• интенсивными, большими потоками и ударными волнами, которые способны перемешивать слои жидкости и разрушать поверхности границ  с кавитирующей жидкостью твердых тел;
• ультразвуковым светом, а также разнообразными биологическими эффектами.

В результате  концентрирования энергии в очень слабых  объемах, ультразвук может сопровождать  такие явления, как разрыв  химических связей макромолекул, сопровождение  химических реакций, эрозию поверхностей твердых тел. При повышенной   интенсивности ультразвука до значений, когда в среде появляются  механические усилия, равные прочности клеточных мембран, начинается развитие процесса разрушения клеток.
Как правило,  явление механических возмущений в жидкостях появилось  
в результате возникновения в данных клетках  стабильных и нестабильных газовых пузырьков, которые могут спровоцировать образование в воде и водных средах, порог кавитации превысит интенсивность ультразвука. Это  может вызвать   гибель клеток.

Аппараты ультразвуковой липосакции (кавитации)