La magie des ultrasons : sonochimie et sonoluminescence par Marie Simonnet, de l’IPN

Qu’est ce qu’un ultrason ?

Quand on pense aux ultrasons et à leurs applications, on pense le plus souvent au sonar, à l’échographie, ou encore au système de localisation des chauves-souris. Les applications des ultrasons en chimie, sur lesquelles travaille Marie Simonnet, sont beaucoup moins connues. Mais d’abord, qu’est ce qu’un ultrason ?

Les ultrasons, tout comme les sons audibles, sont des ondes mécaniques, c’est-à-dire des vibrations d’un milieu : le plus souvent, ce milieu est un gaz comme l’air, ou bien un liquide comme l’eau. La différence entre un son et un ultrason est la fréquence à laquelle le milieu vibre, qui se mesure en Hertz. On parle d’ultrasons quand la vibration se fait entre 16000 Hertz et 100 millions d’Hertz. Les sons les plus aigus que peut entendre notre oreille sont de l’ordre de 16000 à 18000 Hertz pour les enfants, mais guère plus de 14000 Hertz pour les adultes… C’est pourquoi on ne peut pas entendre les ultrasons !

Comment créer des ultrasons ? La génération d’ultrasons repose sur un phénomène physique appelé effet piézoélectrique, découvert par les frères Pierre et Jacques Curie en 1880. Certains matériaux, comme le quartz sont tels que, lorsqu’ils sont comprimés, ils créent un champ électrique. L’effet inverse existe aussi, et fut découvert par G. Lippmann et les frères Curie en 1881 : lorsque ces matériaux sont soumis à un champ électrique, ils se déforment. Les matériaux piézoélectriques permettent donc de réaliser des transducteurs, c’est-à-dire des appareils transformant un signal électrique en onde mécanique : on peut ainsi produire des ultrasons.

Production d’ultrasons à l’aide de matériaux piézoélectriques.

Les ultrasons ainsi créés peuvent se propager dans l’air, ou bien dans un liquide. Les ultrasons se propageant dans l’air peuvent servir en médecine, pour un détartrage ou pour servir de scalpels, ou encore dans l’alimentation, pour découper des aliments. Comme il n’y a pas de contact entre l’appareil et l’objet à découper, il n’y a pas de problème de stérilisation !

Les ultrasons ont également de nombreuses applications lorsqu’ils se propagent dans un liquide ; celles-ci sont le plus souvent basées sur un phénomène physique surprenant appelé la cavitation.

La cavitation

Le phénomène de cavitation fut observé pour la première fois en 1895 par Sir John Thornycroft et Sidney Barnaby, qui remarquèrent que les hélices d’un nouveau modèle de bateau s’usaient très vite, et rendaient le bateau très peu efficace. Le phénomène physique sous-jacent fut compris quelques années plus tard par Lord Rayleigh. Pour le comprendre, il nous faut rappeler quelques généralités concernant les changements d’états de l’eau. L’eau existe sous forme liquide, solide (glace) et gazeuse (vapeur). La température à laquelle l’eau passe d’un état à un autre dépend de la pression. Ainsi, à la pression usuelle de 1 bar, l’eau bout à 100 degrés. Mais plus la pression augmente, plus la température nécessaire est élevée. Plus la pression est basse, plus la température nécessaire est faible. C’est pourquoi, sans changer la température, on peut transformer de l’eau liquide en eau gazeuse, simplement en diminuant suffisamment la pression.

Diagramme indiquant la pression et la température nécessaires à des changements d’états.

Revenons à la dégradation de notre bateau. A cause du mouvement des hélices, la pression dans l’eau n’est pas uniforme : certaines régions ont une haute pression, et d’autres une plus faible. Il se passe la même chose quand on émet des ultrasons dans de l’eau : les ondes créent des zones de hautes pressions et des zones de basses pressions. Dans ces régions de basses pressions, l’eau se transforme en vapeur, et forme de petites bulles. Ces bulles vont ensuite grossir, à elle point qu’elles deviennent instables. Elles vont alors imploser. Cette implosion est extrêmement violente : à l’endroit de l’implosion, la pression locale peut atteindre quelques centaines de milliers de bars, et la température de 5000 degrés à 50000 degrés (presque dix fois plus qu’à la surface du soleil) !

La formation de bulles et leur implosion lors de la cavitation.

Une onde de choc se forme autour de la zone d’implosion, et un jet de liquide très puissant est projeté. C’est ce jet qui, dans le cas du bateau, abime les pâles des hélices.

Formation d’un jet de liquide lors de la cavitation

Les paramètres de la cavitation Plusieurs paramètres peuvent être ajustés pour modifier le phénomène de cavitation. Ainsi, la cavitation se produira plus facilement s’il y a initialement du gaz dissous dans la solution, ou bien si la température est plus élevée. En revanche, un liquide plus visqueux sera plus difficile à mettre en cavitation, et une augmentation de la fréquence des ultrasons diminue le nombre de bulles, car celles-ci ont moins de temps pour grossir.

Utilisations de la cavitation La science étudiant les effets des ultrasons sur les réactions chimiques dans une solution s’appelle la sonochimie. Deux phénomènes peuvent se produire : L’augmentation de la température, ainsi que les forces de cisaillement induites par l’implosion, peuvent apporter de l’énergie à des molécules pour qu’elles se combinent. Ceci permet d’accélérer considérablement certaines réactions chimiques, et est très utilisé dans l’industrie. En raison des conditions extrêmes de température et de pression qui règnent à certains endroits de la solution, certaines molécules peuvent se casser en divers composés plus élémentaires appelés radicaux. Ces radicaux peuvent alors se recombiner avec d’autres molécules, pour former de nouveaux produits de réaction.

La cavitation peut casser de gros objets, ou au contraire, permettre à de petites particules de se combiner.

L’énigme de la sonoluminescence Lorsqu’une bulle créée par cavitation implose, il arrive qu’elle émette un flash lumineux. Celui-ci est extrêmement court, et très intense : de l’ordre de 1 mW à 10 mW émis en un dix milliardième de seconde. Ce phénomène, appelé sonoluminescence, reste mystérieux : bien qu’il ait été observé dans de nombreuses expériences, aucun modèle théorique ne parvient à en rendre compte.

Du thorium pour l’avenir ?

Marie Simonnet nous explique ensuite le sujet de sa thèse, financée par Areva, qui concerne le thorium. Le thorium est un élément radioactif qui pourrait être utilisé pour remplacer l’uranium dans les centrales nucléaires. Le thorium a plusieurs avantages : il est trois fois plus abondant que l’uranium, et la fission du thorium produit moins d’actinides mineurs (déchets très radioactifs à durée de vie longue) que celle de l’uranium. Bien que l’idée d’un réacteur nucléaire fonctionnant au thorium ait été imaginée dès les années 50, seuls des réacteurs expérimentaux ont été construits. Aujourd’hui, un seul d’entre eux est en fonctionnement, en Inde. Rappelons les principaux éléments du cycle de l’uranium. L’uranium extrait des mines, contient presque exclusivement de l’uranium 238, qui n’est pas fissile. C’est-à-dire que l’uranium 238 doit absorber un neutron avant de fissionner et de produire des neutrons à son tour : il ne peut donc pas servir à initialiser la réaction de fission, bien qu’il puisse servir de combustible dans les phases ultérieures de la réaction nucléaire. Il est donc nécessaire d’enrichir l’uranium qui est extrait, c’est-à-dire augmenter la proportion d’uranium 235 qui lui, est fissile. Ceci se fait le plus souvent à l’aide de centrifugeuses. De même, le thorium n’est pas fissile, et doit être enrichi en uranium 235 ou en plutonium avant d’être utilisé. A la sortie du réacteur, en plus de divers déchets nucléaires (appelés produits de fission), il y a du plutonium et de l’uranium dit « appauvri » qui peuvent être réutilisés. Pour un réacteur au thorium, c’est la même chose : il faut séparer les déchets nucléaires des matières réutilisables à la sortie du réacteur. Ceci ne peut pas être fait directement sur les combustibles thoriés solides, il faut d’abord les mettre en solution. C’est précisément le sujet de thèse de Marie Simonnet : trouver une manière efficace de mettre en solution les produits de la fission du thorium. L’un des axes de sa recherche était l’utilisation des ultrasons ; malheureusement, les premiers résultats ne semblent pas concluants.

Visite de l’IPN

La salle s’est ensuite divisée en deux groupes, l’un regardant des vidéos concernant des applications des ultrasons, et l’autre visitant une partie de l’IPN.

Vidéos Les vidéos peuvent être visionnées sur Internet aux adresses suivantes : https://www.youtube.com/watch?v=ufPmm6BupqY, où l’on apprend comment les ultrasons permettent de détruire des caillots sanguins. https://www.youtube.com/watch?v=RcqCgge_Fxs, vidéo expliquant comment les ultrasons peuvent servir à purifier l’eau dans les usines de retraitement https://www.ted.com/talks/yoav_medan_ultrasound_surgery_healing_without_cuts?language=fr#t-128946, vidéo concernant le traitement des tumeurs et des lésions cérébrales par ultrasons.

Expériences Lors de la visite de l’IPN, nous avons pu voir plusieurs expériences de chimie utilisant les ultrasons. Tout d’abord, Marie Simonnet a plongé une feuille d’aluminium dans un bain à ultrasons. Après quelques secondes, la feuille était perforée de nombreux trous minuscules, crées par le jet de liquide lors de la cavitation. Remarquons que, bien que les ultrasons soient inaudibles, un bain à ultrasons est un engin très bruyant !

La seconde expérience était une émulsion, c’est-à-dire d’un mélange d’eau et d’huile. L’eau et l’huile n’étant pas miscibles, le résultat d’une émulsion ne peut pas être stable, et finit par se séparer en deux phases. Toutefois, si l’eau et l’huile sont très bien agitées, elles peuvent former une solution à l’aspect homogène pendant assez longtemps. Deux procédés sont comparés : dans une première expérience, l’eau et l’huile sont agitées par un agitateur magnétique, c’est à dire par un petit barreau métallique mis en rotation par un champ magnétique. Dans la seconde, l’eau et l’huile sont placées dans un bain à ultrasons. La solution obtenue par ultrasons est beaucoup plus homogène et plus stable que celles obtenue par agitation magnétique. La raison ? C’est que l’eau et l’huile sont agités par le jet de fluide crée par cavitation, et que le mélange se fait à une échelle très petite, de l’ordre de la taille des bulles.

Marie Simonnet nous propose ensuite d’observer la destruction d’un objet par cavitation. Pour ce faire, elle nous montre une expérience qu’elle a réalisée il y a un mois, dans laquelle elle a placé un morceau de craie dans un bécher avec un agitateur magnétique, et un autre morceau de craie dans un bain à ultrasons. La craie attaquée par l’agitateur magnétique est presque intact, tandis qu’il ne reste rien de la craie rongée par les jets de liquides causés par les ultrasons. Pourquoi avoir fait l’expérience il y a un mois ? Simplement car la décantation est très lente : si l’expérience avait été faite sous nos yeux, nous n’aurions vu que des béchers pleins de poudre de craie !

Pour finir, Marie Simonnet nous présente l’un des principaux outils de ses recherches, l’ICP (Pour Inductively Coupled Plasma). Cet impressionnant appareil est capable de mesurer la concentration des différents éléments présents dans une solution. Pour ce faire, l’ICP injecte la solution sous forme de fine gouttelettes dans un plasma d’argon, qui transforme les éléments de la solution en ions. L’appareil mesure ensuite les longueurs d’onde obtenues, et les compare avec celles des éléments de la table périodique. Après avoir vu l’ICP fonctionner, nous avons pu conclure que la composition de l’eau sortant des robinets d’Orsay est bien différente de celle de l’eau distillée !