Température inhomogène durant la sonoluminescence multibulles

 

Lorsqu’un liquide est soumis à une irradiation ultrasonique de forte intensité, des bulles se forment dans le liquide, grossissent puis implosent.

Ce phénomène qui a pas mal fait parlé de lui lors de sa découverte permet de réaliser des réactions chimiques (sonochimie) et de fabriquer de la lumière (sonoluminescence).

Ces réactions proviennent très probablement de la très forte température se développant dans les bulles lorsque celles-ci implosent.

 

Il existent deux types de sonoluminescence : celle produite par un nuage de bulles (sonoluminescence multibulles) et celle produite par un seule bulle (sonoluminescence monobulle). La sonoluminescence multibulles étant relativement proche de la sonochimie, son étude permet d’approfondir notre connaissance des mécanismes de cette chimie si particulière.

 

Lors de l’irradiation, de nombreuses bandes lumineuses ont pu être observées et ont déjà servi en tant que thermomètres spectroscopiques permettant de déterminer les conditions régnant dans les bulles.

L’équipe menée par Kenneth Suslick s’est proposée d’étudier la température à l’intérieur des bulles en se basant sur l’observation simultanée de deux espèces dans l’acide phosphorique à 85% : les radicaux OH° et PO°.

 

L’acide phosphorique concentré est en effet très intéressant car lorsqu’on le chauffe, les vapeurs émises ne sont constituées que d’eau. Les bulles se formant dans un tel liquide sous irradiation ultrasonique ne sont donc composées que de vapeur d’eau.

Lorsqu’une solution d’acide phosphorique à 85%, saturée par un gaz noble, est soumise à l’irradiation, une lumière vive se développe (visible même en plein jour). Cette luminescence est bien plus importante que celle observée jusque là dans l’eau ou l’acide sulfurique concentré à 95%.

 

Fig.  SEQ Fig. \* ARABIC 1 : Sonoluminescence d’acide phosphorique à 85 % saturé par différents gaz. Temps d’exposition : He (20s), Ne (10s), Ar (0,5s), Kr (0,25s), Xe (0,25s dans le noir), Xe (0,17s à la lumière du jour). Sonification menées à 20 kHz, 17 W/cm2.

 

Fig.  SEQ Fig. \* ARABIC 2 : Photographies du phénomène de sonoluminescence. A) Dans l’eau, à 40 W/cm2 30s d’exposition. B) Dans l’acide sulfurique à 95%, à 17 W/cm2 6s d’exposition. C) Dans l’acide phosphorique à 85%, à 17 W/cm2 6s d’exposition. Toutes solutions irradiées à 20 kHz.

 

En se basant sur différents modèles, les chercheurs ont réussi à déterminer que la température d’émission, dans les bulles, des radicaux PO° était d’environ 4000 K tandis que celle des radicaux OH° était d’environ 9500 K, ces deux températures étant relevées simultanément…

 

Comment se fait-il que deux températures aussi éloignées puissent être observées simultanément, les espèces responsables de ces émissions (PO° et OH°) se formant à partir du même phénomène physique de cavitation.

 

Il est possible d’expliquer cette différence de température en faisant intervenir deux populations de bulles :

-         des bulles qui implosent de façon symétrique, responsable de la formation des radicaux OH°,

-         des bulles se mouvant rapidement qui implosent de façon moins symétrique, responsables des radicaux PO°.

 

Les radicaux OH° proviennent de la décomposition thermique de l’eau, et étant donné que l’intérieur des bulles est composé de vapeur d’eau, il est normal de noter la présence de telles espèces.

En revanche, les radicaux PO° proviennent eux de la décomposition de l’acide phosphorique utilisé. Or les bulles ne contiennent pas de vapeur d’acide… Comment alors expliquer la présence de ces radicaux ?

 

Il semblerait que dans les bulles implosant de façon non symétrique, des nanogouttes d’acide se trouvent injectées à l’intérieur de la bulle, par différents phénomènes physiques. Une fois les gouttes d’acides rentrées dans la bulle, l’eau contenue dans l’acide à 85% s’évapore et la décomposition de l’acide en radicaux s’en suit.

 

Fig.  SEQ Fig. \* ARABIC 3 : A) Emission à différents endroits du nuage de bulles. Formation de OH° en haut du nuage de bulles, PO° en dessous. B) Représentation schématique de l’implosion non-symmétrique de bulles et de l’injection de nanogouttes d’acide à l’intérieur.

 

L’évaporation du solvant et la décomposition étant deux phénomènes endothermiques (prenant de la chaleur au milieu), il est normal que la température de la bulle s’abaisse, expliquant ainsi la présence simultanée de cette seconde température.

 

Ces deux populations de bulles coexistent dans deux zones spatiales séparées : les bulles implosant symétriquement se trouvent près du dispositif de génération des ultrasons tandis que les autres bulles se trouvent plus éloignées, probablement en raison du gradient de pression engendré par le flux d’ultrasons.

 

Ces découvertes devraient permettre de mieux comprendre les mécanismes de réactions chimiques réalisées sous irradiation ultrasonique.

 

 

Source : Xu, H.; Glumac, N.G.; Suslick, K.S. Angew. Chem. Int. Ed., 2010, DOI : 10.1002/anie.200905754