Un phénomène curieux, la sonoluminescence !

Bonsoir,

La sonoluminescence est le phénomène par lequel des photons sont émis par des bulles de gaz dont on fait varier le diamètre grâce à des ultrasons.

L'effet fut découvert à l'université de Cologne en 1934 par H. Frenzel et H. Schultes, lors d'une expérience portant sur le sonar. Les premières expériences sur le sujet remontent à 1917, quand la Royal Navy britannique demande au physicien Lord Rayleigh de comprendre pourquoi les hélices des navires subissent des dommages inexpliqués.

Dans les années 1980, Filipe Gaitan et Lawrence Crum arrivent à produire une bulle sonoluminescente unique.

En 2005, l'expérience de D. Flannigan, mettant en jeu une bulle d'argon immergée dans de l'acide sulfurique a permis de mesurer la température atteinte au cœur de la bulle.

http://www.youtube.com/watch?v=GJolILUbdNw&list=PLs_yKA1irrOgg9nB_pY1U-XKuYpiM-jY9

Explication concise :

Pour comprendre l’origine de la sonoluminescence, il faut se pencher sur les mouvements de la bulle, et notamment son comportement au milieu des ondes ultrasonores. Comme vous le savez peut être, les ondes sonores sont en fait des ondes de pression/décompression de la matière, et qui se propagent dans l’air mais aussi les solides ou les liquides. Sous l’effet des ultrasons, notre bulle est donc soumise à des cycles qui viennent modifier sa taille : le rayon de la bulle augmente lors d’une phase de décompression, et rétrécit lors d’une phase de compression.

De son étude, Rayleigh a sorti une équation (raffinée plus tard par Plesset) décrivant la variation du rayon d’une bulle soumise à des changements de pression.

Si on applique cette équation au cas de notre bulle piégée au milieu des ultrasons (voir ci-contre [1]), on trouve que son rayon peut varier de manière assez violente : une bulle ayant initialement un diamètre de 5 microns va se dilater jusqu’à 50 microns lors d’une phase de décompression, mais rétrécir jusqu’à 0.5 microns dans une phase de compression. Cela fait un facteur 100 de variation de son rayon, mais un facteur 1 million pour son volume !

Voir plus : http://sciencetonnante.wordpress.com/2013/11/11/la-sonoluminescence-une-etoile-dans-un-verre-deau/

Ce qui intéresse le plus les chercheurs pour l'instant est néanmoins la température atteinte au coeur de la bulle lorsqu'elle se comprime violemment : Il a été montré que celle-ci pourrait atteindre des températures de l'ordre du millier de Kelvins : 4000 K selon une étude menée sur une bulle formée par la crevette pistolet, soit à peine un peu moins que la température qui règne à la surface du Soleil !

D'autres expériences ont montré que la température au sein d'une telle bulle pourrait atteindre des centaines de milliers de Kelvins voire un milliard de Kelvins. Ces déductions sont à considérer avec beaucoup de prudence cependant, car les scientifiques ont seulement analysé le spectre de l'onde pour en déduire la température de la bulle au moment de l'implosion. Il existe donc certaines différences à prendre en compte entre ce qui est des mesures et ce qui est de la réalité.

Néanmoins le phénomène et son étude sont prometteurs. Certains voient en une exploitation avisée de la sonoluminescence un chemin vers la fusion nucléaire, par la très forte température qui règne dans le milieu. Il est séduisant de penser qu'un jour un aussi beau et curieux phénomène puisse avoir l'utilisation la plus fondamentale dans notre vie de tous les jours.

Pour plus d'infos :

- Un article de l'école normale de Cachan sur l'aspect expérimental de la sonoluminescence : http://www.phytem.ens-cachan.fr/servlet/com.univ.collaboratif.utils.LectureFichiergw?ID_FICHE=7268&OBJET=0017&ID_FICHIER=121055

Articles en anglais :

- Un papier plus détaillé (avec de la physique et des maths ! Brrrr) de l'ARPC : http://www.scs.illinois.edu/~suslick/documents/arpc.08.659.pdf

- Une preuve du lien entre cavitation acoustique et fusion nucléaire : http://astro.berkeley.edu/~kalas/ethics/documents/fusion/1stpaper.pdf

Je vous souhaite bonne lecture et si possible bonnes découvertes !

Salut.

Je savais qu'on pouvait faire du froid avec des ondes acoustiques, mais ça, ça me scie.

++

Passionnant, vraiment.

Salut,

Merci pour le sujet, vraiment très intéressant !