Een geluidsgolf, dus ook ultrasoon geluid, is uit te drukken als een drukfluctuatie. Een geluidsgolf bestaat uit een aaneenschakeling van gebieden met een hogere druk en lagere druk die zich voortplanten in een medium, bijvoorbeeld een vloeistof. Door die geluidsgolf kunnen belletjes in die vloeistof groeien en krimpen. Als de belletjes klein genoeg zijn en het geluid hoog genoeg is, wordt het krimpen versneld. Van Iersel: “Als je het belletje zo snel laat krimpen, comprimeert het gas in het belletje. De warmte kan niet tijdig worden afgevoerd, en het wordt dan heel heet in die bel.”

Bij dit proces, op micrometerschaal, kan lokaal in zo’n belletje een temperatuur ontstaan die kan oplopen tot wel 15.000 graden Celsius. Dat is twee keer zo warm als de oppervlakte van de zon. Door die hitte komt er licht vrij. Op basis van het lichtspectrum kun je de warmte in het belletje schatten.

De film ‘Chain reaction’ uit 1996 is volgens Van Iersel op dit proces gebaseerd. De film gaat over het maken van waterstof met ultrasone golven. Van Iersel: “In de film werd gesuggereerd dat dit proces zichzelf in stand houdt zonder er energie in te stoppen. In werkelijkheid stopt de reactie als het ultrasone geluid stopt.”

“Die hele hoge temperaturen zijn interessant voor chemie. Moleculen in die belle-tjes breken hierdoor doormidden. Daarmee krijg je zogenaamde ‘radicalen’, hele reactieve deeltjes die makkelijk reageren met een ander deeltje. Kortom, het gebruik van ultrasoon geluid is een heel elegante manier om reacties op te starten.”

Je kunt er ook reacties mee versnellen, aldus Van Iersel. Als zo’n belletje naast een oppervlakte in elkaar krimpt ontstaat een zogenaamde ‘microjet’. De vloeistof schiet door het belletje heen en wordt dan met 100 m/s langs het oppervlak gestuurd. Van Iersel: “Dit fenomeen is interessant voor het versnellen van reacties van niet mengbare stoffen, zoals bij de productie van latex.”

Van Iersel wilde tijdens zijn promotieonderzoek in eerste instantie een beter inzicht te krijgen in het proces waarmee je met ultrasoon geluid chemische reacties opwekt of versnelt. “Daar heb ik een fysisch model voor gebruikt.” Hij heeft berekend hoe warm het in zo’n belletje wordt. De aanname daarbij is dat hoe warmer het wordt, hoe meer reactiviteit je hebt. Van Iersel: “Ook heb ik chemische reacties uitgevoerd. Daar heb ik onder meer gassen toegevoegd aan de vloeistof en gekeken wat voor producten daar uitkomen en hoe ik dat proces kan verbeteren.” Daarnaast heeft Van Iersel naar het proces gekeken met hogesnelheidscamera’s, op het niveau van een wolk belletjes en inzoomend op een belletje. Van Iersel heeft ook ‘geluisterd’ naar het proces met een microfoontje.

Succesvolle toepassing
De meest succesvolle toepassing van ultrasoon geluid was volgens Van Iersel het chloreren van gasvormige koolwaterstof. Gechloreerde koolwaterstoffen worden gebruikt als tussenproduct in de chemische industrie, onder andere bij de productie van synthetisch rubber. Van Iersel: “Wij zijn de eersten die hebben aangetoond dat je met ultrasoon geluid heel effectief koolwaterstof kunt chloreren. Daarbij moet je denken aan honderden procenten meer opbrengst dan bij andere reacties met ultrasoon geluid. Dit was nooit gelukt zonder de inzichten die ik in het eerste deel van mijn promotieonderzoek heb verkregen.”

Van Iersels voorganger op dit promotietraject, dr.ir. Martijn Kuipers, heeft enige tijd geleden gepubliceerd in Science over dit proces in vloeibaar CO2. “Ik heb dit werk uitgebreid. Daarbij heb ik enkele interessante fenomenen gezien, die je normaal niet in waterige oplossingen tegenkomt.” “Je moet je bij chemie met ultrasoon geluid realiseren dat de energie-efficiëntie van het proces nog heel laag is.” Van Iersel denkt daarom niet dat het ooit gebruikt gaat worden voor bulkproductie. “Het is eerder geschikt voor processen waarbij je een specifieke reactie kunt opwekken, die normaal gesproken niet lukt.”

Procesontwikkeling
In de vakgroep Procesontwikkeling worden vernieuwende procesconcepten onderzocht, zoals kooldioxide als vervanger voor organische oplosmiddelen of gecontroleerde medicijnafgiftesystemen. Van Iersel werkt sinds kort als innovatietechnoloog bij AkzoNobel. “We zitten hier in een klein team en denken, net als in mijn vakgroep, na over procestechnologieën die binnen tien, vijftien jaar van belang kunnen zijn. Wat is er nodig om in de toekomst mee te kunnen?”/.

Maikel van Iersel verdedigt vandaag, donderdag 13 november, zijn proefschrift ‘Sensible Sonochemistry’ om 16.00 uur in collegezaal 4.