超音波破碎機的原理為何? 從起源到應用帶您一次了解

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超音波破碎機的原理為何? 從起源到應用帶您一次了解

超音波破碎機(Sonicator)之定義

美國國家標準協會 (American National Standards Institute，ANSI) 將超音波定義為「頻率大於 20 kHz 的聲音」。在 1 大氣壓力下的空氣中，超音波的波長約為 1.9 公分。

超音波研究歷史

重要歷史年分	發現
1794 年	拉扎羅·斯帕蘭扎尼(Lazzaro Spallanzani) 發現了蝙蝠回聲定位能力。並以實驗摀住蝙蝠的眼睛和耳朵，證明蝙蝠是透過聽不見的聲音而不是視覺來狩獵與導航。
1880 年	皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟首次演示了正壓電效應(Direct piezoelectric effect)，並以電氣石(Tourmaline)、石英、黃玉、蔗糖和酒石酸鉀鈉(Potassium sodium tartrate) 晶體證明了這種效應，其中石英和酒石酸鉀鈉表現出最大的壓電性。
1893年	法蘭西斯·高爾頓(Francis Galton) 發明了高爾頓哨子(Galton whistle)，是可調節頻率的哨子，並產生超音波。利用它來測量人類和其他動物的聽力範圍，並證明許多動物可以聽到大於人類聽力頻率範圍的聲音。
1917年	在法國，保羅·朗之萬(Paul Langevin) 和他的同事開發了超音波潛水艇探測器。該探測器由一個轉換器(transducer) 和一個水聽器(hydrophone) 組成。轉換器由薄石英晶體製成，小心地黏在兩塊鋼板之間；並以水聽器檢測返回的回聲。
1948 年	Elias Klein整理了超音波相關歷史，內文說到：第一次世界大戰期間，康斯坦丁·奇洛夫斯基(Constantin Chilowski) 向法國政府提交了潛水艇探測的想法。後者邀請保羅·朗之萬 (Paul Langevin) 進行評估。奇洛夫斯基建議以大約 100 kHz 的高頻浦耳生電弧 (Poulsen arc) 激發圓柱形雲母電容器(Cylindrical mica condenser)，從而產生超音波來檢測水下物體。
參考資料	Curie, Jacques; Curie, Pierre (1880). "Développement par compression de l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées" [Development, via compression, of electric polarization in hemihedral crystals with inclined faces]. Bulletin de la Société Minérologique de France. 3 (4): 90–93. doi:10.3406/bulmi.1880.1564.
	Katzir, S. (2012). "Who knew piezoelectricity? Rutherford and Langevin on submarine detection and the invention of sonar". Notes Rec. R. Soc. 66 (2): 141–157. doi:10.1098/rsnr.2011.0049.
	Klein E (1948). "Some background history of ultrasonics". Journal of the Acoustical Society of America. 20 (5): 601–604. Bibcode:1948ASAJ...20..601K. doi:10.1121/1.1906413.

超音波破碎機(Sonicator)原理

空穴效應、空化 (Cavitation)

當超音波源的加速度足以產生空化所需的壓(力)降(Pressure drop)時，就會發生超音波空化，此壓(力)降取決於加速度的值和受壓力波影響的體積大小。此現象可讓超音波用於均質(Homogenization)、分散(Dispersion)、去黏聚(解聚) (Deagglomeration)、侵蝕(Erosion)、清潔(Cleaning)、研磨(Milling)、乳化(Emulsification)、萃取(Extraction)、分解(Disintegration)和聲化學(Sonochemistry)。

奈米粒子分散(Nanoparticle Dispersion)

超音波空化產生的高剪切力(Shear forces)能夠打碎顆粒團聚，成為更小、更均勻的顆粒尺寸，現今廣泛應用於生產穩定且均勻的懸浮液。其中探針式的超音波設備處理奈米材料（碳奈米管、石墨烯、墨水、金屬氧化物等）非常有效，幾乎成為以下應用的必要設備：

分散(Dispersing)
去黏聚(解聚) (Deagglomeration)
粒徑減小(Particle size reduction)
顆粒合成與沉澱(Particle synthesis and precipitation)
表面功能化(修飾) (Surface functionalization)

超音波破碎機(Sonicator)應用領域

細胞破碎和蛋白質體學(Cell Disruption and Proteomics)

超音波振盪器已被用於破碎多種細胞及細菌，如哺乳動物細胞培養、酵母、藻類、細菌等。即使具有堅韌細胞壁的革蘭氏陽性細菌，也可以透過強大的超音波能量輕鬆破碎。選擇可調節功率輸出的超音波振盪器，以處理不同種類的的細胞，或是調節細胞的破碎的程度。例如，降低超音波的振幅（強度），溫和處理脆弱的細胞，以防止胞器受損或減少酵素的降解；加大超音波的振幅，則可以破碎具有細胞壁的細胞。

乳化(Emulsification)

超音波振盪器產生的強大超音波，可以大幅減小顆粒(液滴)尺寸，使 2 種一般互不相溶的液體也能產生均質、奈米級顆粒(液滴)的乳化液體，通常稱為奈米乳液(Nanoemulsions)。

組織均質化(Tissue Homogenization)

超音波振盪器利用壓電晶體產生的超音波，並透過液體傳播產生空化現象，使附件的物體表現產生強大的力，進而使組織均質化；可分裂結締組織(Connective tissues)，或裂解細胞釋放其內容物，然後純化並用於其他分析。

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