Hóa học ứng dụng siêu âm (sonochemistry) đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu mới trong thập kỷ qua. Siêu âm có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên gấp nhiều lần. Sóng siêu âm có chiều dài bước sóng khoảng 10cm – 10-3cm, với chiều dài bước sóng này thì không tạo đủ năng lượng để tương tác trực tiếp lên liên kết hóa học (không thể làm đứt liên kết hóa học). Tuy nhiên, sự chiếu xạ siêu âm trong môi trường lỏng lại sản sinh ra một năng lượng lớn, do nó gây nên một hiện tượng vật lý đó là sự xuất hiện bong bóng gọi là cavitation (Hình 2.2). Đây là hiện tượng xảy ra khi đặt dung dịch trong một vùng âm học, sự nén và rút khí luân phiên theo chu kỳ xảy ra trong chất lỏng dẫn đến quá trình tăng giảm nội áp. Khi khoảng cách giữa phân tử chất lỏng vượt quá khoảng cách liên kết giữa các phân tử, chất lỏng sẽ bịphá vỡ từng phần và hình thành các bong bóng do sự lấp đầy của hơi và các vi bọt khí hay còn gọi là “sự tạo bọt âm học”. Quá trình này phụ thuộc vào môi trường phản ứng (môi trường đồng thể lỏng rất khác so với cavitation ở bề mặt tiếp xúc rắn-lỏng).
Hiện tượng cavitation xảy ra khi áp suất chân không vượt quá so với độ bền kéo của chất lỏng, độ bền này thay đổi tùy theo loại và độ tinh khiết của chất lỏng.Thông thường sự tạo-vỡ bọt là một quá trình tạo mầm, nó hấp thụ dần năng lượng từ sóng và sẽ phát triển. Khi bọt phát triển tới kích thước không thể phát triển tiếp được, nó sẽ vỡ vào trong dưới áp lực nén của chất lỏng. Sự phá vỡ nhanh các bọt âm học diễn ra trong khoảng 10μs, nhiệt độ trong vi bọt sắp vỡ có thể đạt đến 4200-5000oC và áp suất tới 200-500 atm - hiện tượng này được gọi là sự hình thành điểm nóng. Có thể quan sát thấy sự phát quang do siêu âm. Khi quét phổ phát xạ có thể thấy đỉnh ở 310 nm tương ứng có mặt các gốc OH, H, O, H2O2... Do vậy, siêu âm có tác dụng xúc tác mạnh. Nó có các ưu điểm sau:
- Có thể điều chỉnh năng lượng xúc tác thông qua công suất âm.
- Trộn đều vi hạt, tách các hạt bám dính, hạn chế sự bám dính tái hợp của các hạt kích thước nano.
- Trong môi trường có chất hoạt hóa bề mặt, siêu âm năng lượng thấp có thể dùng vào việc nâng cao hiệu suất hoạt động bề mặt của chất hoạt hóa bề mặt và khả năng bám dính đều của nó lên bề mặt hạt nano.
- Tăng hiệu suất khuếch tán hạt nano trong dung môi, môi trường dị thể. Hạn chế sự hình thành các hạt kích thước lớn.