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I.Introduction


a.But

b.Historique


II.Qu’est-ce que la Sonoluminescence


a.Définition

b.Description

c.Sonoluminescence à bulle unique ou SBSL


III.Dispositif expérimental


IV.Connaissances pré-requises et Phénomènes associés


a.Notions préalables

b.Phénomènes liés à la sonoluminescence


V.Perspectives d’avenir


VI.Conclusion


VII.Définitions utiles


VIII.Sources

Qu’est-ce que la Sonoluminescence






a.Définition

La sonoluminescence ou la transformation de son en lumière, est un phénomène où l’on observe dans les liquides renfermant des gaz dissous coincée dans un champ acoustique, des photons émis par ces bulles de gaz dont on fait varier le diamètre grâce à des ondes sonores de très haute fréquence, ou ultrasons. En d’autres termes, c’est l’émission de lumière UV-visible [2], produite au voisinage de la contraction maximale des bulles sous l’action de l’onde acoustique.
La sonoluminescence se manifeste dans les solutions aqueuses ou organiques saturées de divers gaz mono- et diatomiques.









b.Description

Lorsqu’une bulle ou plusieurs bulles d’air, piégées dans un liquide (l’eau par exemple), sont frappées par une puissante onde acoustique sinusoïdale, alors dans ce cas, quand l'amplitude de la pression acoustique incidente sur la bulle dépasse le bar, les bulles sont forcées, par le rythme des impulsions sonores, à osciller pendant les phases de dépression (résultant d’un effet Bernoulli [3]) , où elles se dilatent, et de compression, où elles se rétractent brusquement.


Cette compression très brutale conduit à l’implosion, l’effondrement, de la bulle au cours duquel des conditions extrêmes de pression et de température sont atteintes à l'intérieur de la bulle.


Cette implosion crée alors une véritable étoile miniature. La température au centre de la bulle peut atteindre plusieurs dizaines de milliers de degrés.


Parmi tous les phénomènes intéressants qui sont alors observés, l'émission de lumière par la bulle est certainement le plus intriguant. Cette émission est accompagnée de la formation d'une onde de choc sphérique, souvent supersonique, (un bruit qui fait le cauchemar des sonars car il peut dépasser les 200 Décibels) dans le liquide et, dans certaines conditions, dans la bulle elle-même. Il peut se former des jets de liquide. Ce phénomène se répète à une fréquence régulière, ce qui permet à notre rétine de le voir.







c.Sonoluminescence à bulle unique ou SBSL

Il existe deux classifications de la sonoluminescence : la sonoluminescence émise par de multiples bulles (Multiple Bubble SonoLuminescence, MBSL) et la sonoluminescence émise par une seule bulle (Single Bubble Sonoluminescence, SBSL).


En 1933, N. Marines et J. J. Trillat ont observés que les plaques photographiques étaient impressionnées par immersion dans un liquide agité par ultrasons, découvrant ainsi la MBSL.


En 1934, H. Frenzel et H. Schultes, de l’Université de Cologne, ont écrit qu’ils pouvaient produire de manière reproductible une lumière faible mais visible dans l’eau en utilisant des ultrasons.


Il est difficile d’étudier la MBSL car les bulles ne perdurent que durant quelques cycles acoustiques, n’émettent de la lumière que durant quelques nanosecondes et sont en mouvement constant car les bulles implosent de façons asymétriques.


Ces limitations ont stoppé la recherche sur la sonoluminescence jusqu’à ce qu’on parvienne à produire la SBSL, découverte en 1988 quand H. G. Flynn écrivit une compilation des modèles théoriques du mouvement des bulles mues acoustiquement. A partir de cette information, Felipe Gaitan, alors étudiant en thèse, fut le premier à observer et contrôler le phénomène de sonoluminescence avec une seule bulle qui implosait sans se détruire (contrairement à la MBSL) environ 20 000 fois par seconde sous l'effet d'une onde de pression stationnaire produite par des ultrasons.


La SBSL est beaucoup plus facile à étudier car une bulle de gaz unique est piégée de manière stationnaire dans un liquide, on la soumet à une excitation acoustique et là, elle s'effondre périodiquement sur elle-même de façon à ce que le gaz soit chauffé adiabatiquement à des valeurs telles qu'il y a ionisation partielle du gaz et émission thermique de lumière. Cette bulle peut être extrêmement stable et briller pendant plusieurs minutes, rendant possible l’étude de la bulle et de la lumière émise visible à l'oeil nu. Car contrairement à la MBSL où le spectre lumineux émis est formé de pics discrets dépendant du liquide environnant, la SBSL se différencie par un spectre continu. Ceci est une caractéristique d’un gaz ionisé, donc d’une température bien supérieure à celle de la MBSL.



(On voit d’abord apparaître la bulle, puis l’expansion lente de son enveloppe, la contraction rapide et l’émission de lumière)



David Flannigan et Kenneth Suslick, de l'Université de l’Illinois, on eux franchit une nouvelle étape dans la compréhension du processus en réussissant à créer une unique bulle d'argon dans une solution d'acide sulfurique. La bulle d'argon étant mille fois plus luminescente qu'une bulle produite dans de l'eau.


Sous l'action des ondes sonores [4] de fréquences supérieures à 18000 hertz, la bulle s'est d'abord dilatée avant d'atteindre ses limites pour ensuite rapidement s'effondrer. C'est lors de cette dernière étape qu'on observe l'émission de lumière.


Grâce à leurs travaux, les deux chercheurs sont parvenus à obtenir un spectre 3000 fois plus lumineux que les précédentes expériences. Cela leur a permis de faire une analyse plus fine de l'événement. Selon leurs mesures, la température locale a atteint les 15000 Kelvin, soit l'équivalent de la température à la surface d'une étoile.


Mais le plus remarquable est la détection d'atomes d'argon et d'oxygène ionisés hautement énergétiques, en surface de la bulle, au cours de l'expérience. En effet durant la phase de croissance de la bulle, la faible tension superficielle permet la diffusion de vapeur d’eau vers l’extérieur. Lors de l’effondrement, la température du gaz est telle que les molécules d’azote et d’oxygène sont dissociées en radicaux. Les réactions chimiques entre vapeur d’eau et atomes d’oxygène et d’hydrogène engendrent les produits de réactions NO, NH, HNO3 et NH3. Tous ces produits (excepté NO) sont très soluble dans l’eau, et donc sont éjectés hors de la bulle par diffusion. La bulle ne contient donc plus que des gaz rares (à 99%), l’argon en l’occurrence, qui sont très peu réactifs et donc ne réagissent pas avec l’eau environnante. L’argon est contenu dans l’air à raison de 1%. Il se forme donc un équilibre diffusif d’argon entre la bulle et le liquide environnant (qui contient une certaine quantité d’air dissous) pour assurer la périodicité du phénomène de sonoluminescence. Ainsi, la bulle de SBSL est essentiellement composée d’argon.


Les auteurs de la recherche attribuent donc la formation de la lumière, à la collision des atomes avec des électrons et des ions de très hautes énergies, soit sous forme de plasma [5] très chaud formé dans le noyau de la bulle. Cela constitue la première détection directe d'un plasma associé à la sonoluminescence. D'après les expériences des chercheurs Rusi Taleyarkhan (Université de Purdue) et Richard Lahey (Institut polytechnique Rensselaer de Troy, Etat de New York), il semble que la température au centre des bulles puisse atteindre 1 millions de Kelvins. Ils auraient enregistré l'émission de neutrons à 2.5 MeV et décelé la présence de tritium après la réaction.


Mais la sonoluminescence à bulle unique, est un phénomène qui ne se produit que dans une plage de paramètres physiques beaucoup plus restreinte que la MBSL. L'intensité lumineuse émise dépend fortement de la composition du liquide, sa température, l'amplitude et la fréquence de l'excitation acoustique. Les conditions physiques (pression, dégazage du liquide,densité, et température) lors de l'effondrement de la bulle sont « extrêmes », et une multitude de phénomènes physiques prennent place (transfert de masse et de chaleur entre la bulle et le liquide, dissociation des éléments et réactions chimiques, ionisation des atomes et rayonnement de freinage thermique [6].)


D'autre part, pour assurer la stabilité de la bulle et le caractère périodique du phénomène, il est nécessaire d'avoir un équilibre très fin entre plusieurs processus (forces de viscosité et tension de surface suffisamment fortes pour que la bulle ne se scinde pas, équilibre des flux d'eau et de vapeur d'eau, avec la pression de vapeur saturante [7] entre la bulle et le liquide environnant, position stable du centre de gravité de la bulle).


La théorie dite classique (c'est-à-dire basée sur l'équation de Rayleigh-Plesset) de la dynamique du rayon la bulle à symétrie sphérique et la dynamique interne du gaz (permettant de prédire la température du gaz) permettent de prédire et de modéliser assez bien ce phénomène.


Plusieurs hypothèses ont été émises pour expliquer la production de lumière, la théorie du "point chaud" (Les températures très hautes et les fortes pressions sont susceptibles d'induire l'éclair par pyrolyse). Pour Max Goldman, de l'Ecole supérieure d'électricité (Gif-sur-Yvette), "il est également possible que la lumière provienne de phénomènes de charge et de décharge électrique".


Mais la théorie retenue aujourd’hui suggère (comme le disait Seth Putterman) que l'onde de choc formée porte la température centrale de la bulle à 100 000 K, voire 1 000 000 K, entraînant ainsi l'apparition d'un plasma. L’analyse du spectre de la lumière permet de connaître la température du gaz contenu dans la bulle sous pression. Des travaux, publiés dans la revue Nature datée du 3 mars 2005, confirment que la bulle contient du plasma. (Ces bulles offrent un moyen relativement simple pour étudier la formation de cet état particulier de la matière si important dans l’Univers.)


Les recombinaisons des ions négatifs et positifs seraient donc la cause de l'onde lumineuse. En effet, par une compression adiabatique, le gaz est partiellement ionisé (plasma), des photons sont alors émis par rayonnement de freinage thermique (« Bremstrahlung ») ou par recombinaison radiative (les électrons libres sont réabsorbés par les ions).


Mais notons que l'étude de la sonoluminescence demande des appareils de mesure d'une grande sophistication et d'une précision à toute épreuve. Les chiffres ne sont pas là pour le démentir.


Lorsqu'une bulle d'air de 5 microns de diamètre, en suspension dans un liquide, est frappée par une onde acoustique assez puissante, elle subit tout d'abord une dilatation. Son diamètre passe alors à 70 microns puis diminue brusquement à environ 0,5 microns après que l'expansion a atteint son maximum. On caractérise cela par l’effondrement de la bulle sur elle-même. A ce moment là, la bulle va restituer de l’énergie (emmagasinée) sous forme de pression dans le fluide environnant, formant alors un jet de fluide soit une onde de pression plus forte dans une direction donnée, ce jet ayant une vitesse de l’ordre de 100 m/s (d’où les dommages sur les hélices par exemple). L’effondrement de la bulle produit des surpressions dans la bulle de l’ordre de 1000 atm et fait de l'intérieur de la bulle une véritable fournaise. La température peut en effet s'élever jusqu'à quelque 20 000 ou 30 000 Kelvin, cinq fois celle de la surface du Soleil !


Dans ces conditions extrêmes il n’est a priori pas surprenant que des phénomènes physiques plus complexes aient lieu, dont une des conséquences est par exemple l’émission de photons. En effet, c'est au moment où le rayon est minimal et où la vitesse d'implosion diminue que l'éclair lumineux apparaît. Or, ce flash se révèle très difficile à détecter car il ne dure qu'une cinquantaine de picosecondes et émet principalement dans l'ultraviolet.


Pour percevoir ce que ressent la bulle, Puttermann a dit : « Imaginez-vous sur des montagnes russes. Tout d’abord, vous montez lentement, péniblement une longue côte. Une fois arrivé au sommet, votre voiture tombe comme une pierre, accélérant de plus en plus jusqu’au bas de la pente, là où la décélération vous tasse sur votre siège. C’est la même sensation que vous auriez si vous chevauchiez une bulle d’air vibrante piégée dans de l’eau, sauf que la chute se ferait à une vitesse supersonique et qu’une fois arrivé au fond, vous seriez écrasé dans votre siège par une force équivalente à 1000 milliards de fois votre propre poids. Evidemment votre estomac ne serait pas seul à réagir à une telle chevauchée. Quant à la bulle, elle répond à cette force extraordinaire en générant en une minuscule fraction de seconde, un flash de lumière. »




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