Cavitation ultrasonique dans les liquides

Les ondes ultrasonores de haute intensité génèrent une cavitation acoustique dans les liquides. La cavitation provoque localement des effets extrêmes, tels que des jets de liquide pouvant atteindre 1000 km/h, des pressions pouvant atteindre 2000 atm et des températures pouvant atteindre 5000 kelvins. Ces forces générées par les ultrasons sont utilisées pour de nombreuses applications de traitement des liquides, telles que l'homogénéisation, la dispersion, l'émulsification, l'extraction, la désintégration des cellules, ainsi que l'intensification des réactions chimiques.

Principe de fonctionnement de la cavitation ultrasonique

Lors de la sonification de liquides à des intensités élevées, les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide entraînent une alternance de cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), dont les taux dépendent de la fréquence. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de haute intensité créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume tel qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie, elles s'effondrent violemment au cours d'un cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Lors de l'implosion, des températures (environ 5 000 K) et des pressions (environ 2 000 atm) très élevées sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation produit également des jets de liquide d'une vitesse pouvant atteindre 280 m/s.

La cavitation acoustique (générée par les ultrasons de puissance) crée localement des conditions extrêmes, appelées effets sonomécaniques et sonochimiques. Grâce à ces effets, la sonication favorise les réactions chimiques, ce qui permet d'obtenir des rendements plus élevés, une vitesse de réaction plus rapide, de nouvelles voies et une efficacité globale améliorée.

Principales applications des ultrasons utilisant la cavitation acoustique

Les ultrasons de type sonde, également connus sous le nom de sondes ultrasoniques, génèrent efficacement une cavitation acoustique intense dans les liquides. C'est pourquoi ils sont largement utilisés dans diverses applications dans différents secteurs. Parmi les applications les plus importantes de la cavitation acoustique générée par les ultrasons de type sonde, on peut citer
 

1. Homogénéisation : Les sondes ultrasoniques peuvent générer une cavitation intense, qui se caractérise par un champ de vibrations et de forces de cisaillement denses en énergie. Ces forces permettent d'obtenir d'excellents résultats en matière de mélange, de mixage et de réduction de la taille des particules. L'homogénéisation par ultrasons produit des suspensions uniformément mélangées. Par conséquent, la sonication est utilisée pour produire des suspensions colloïdales homogènes avec des courbes de distribution étroites.
2. Dispersion de nanoparticules : Les ultrasons sont utilisés pour la dispersion, la désagglomération et le broyage humide des nanoparticules. Les ondes ultrasonores à basse fréquence peuvent générer une cavitation percutante qui brise les agglomérats et réduit la taille des particules. En particulier, le cisaillement élevé des jets de liquide accélère les particules dans le liquide, qui entrent en collision les unes avec les autres (collision interparticulaire), de sorte que les particules se brisent et s'érodent. Il en résulte une distribution uniforme et stable des particules qui empêche la sédimentation. Cet aspect est crucial dans divers domaines, notamment la nanotechnologie, la science des matériaux et les produits pharmaceutiques.
3. Emulsification et mélange : Les appareils à ultrasons à sonde sont utilisés pour créer des émulsions et mélanger des liquides. L'énergie ultrasonique provoque la cavitation, la formation et l'effondrement de bulles microscopiques, ce qui génère des forces de cisaillement locales intenses. Ce processus permet d'émulsifier des liquides non miscibles et de produire des émulsions stables et finement dispersées.
4. Extraction : Grâce aux forces de cisaillement de la cavitation, les ultrasons sont très efficaces pour perturber les structures cellulaires et améliorer le transfert de masse entre le solide et le liquide. Par conséquent, l'extraction par ultrasons est largement utilisée pour libérer le matériel intracellulaire tel que les composés bioactifs pour la production d'extraits botaniques de haute qualité.
5. Dégazage et désaération : Les ultrasons à sonde sont utilisés pour éliminer les bulles de gaz ou les gaz dissous dans les liquides. L'application de la cavitation ultrasonique favorise la coalescence des bulles de gaz, qui grossissent et flottent à la surface du liquide. La cavitation ultrasonique fait du dégazage une procédure rapide et efficace. Ce procédé est très utile dans diverses industries, telles que les peintures, les fluides hydrauliques ou la transformation des aliments et des boissons, où la présence de gaz peut avoir un impact négatif sur la qualité et la stabilité du produit.
6. Sonocatalyse : Les sondes ultrasoniques peuvent être utilisées pour la sonocatalyse, un processus qui combine la cavitation acoustique avec des catalyseurs pour améliorer les réactions chimiques. La cavitation générée par les ondes ultrasoniques améliore le transfert de masse, augmente les taux de réaction et favorise la production de radicaux libres, ce qui conduit à des transformations chimiques plus efficaces et plus sélectives.
7. Préparation de l'échantillon : Les ultrasons de type sonde sont couramment utilisés dans les laboratoires pour la préparation des échantillons. Ils permettent d'homogénéiser, de désagréger et d'extraire des échantillons biologiques, tels que des cellules, des tissus et des virus. L'énergie ultrasonique générée par la sonde perturbe les membranes cellulaires, libérant ainsi le contenu cellulaire et facilitant les analyses ultérieures.
8. Désintégration et perturbation des cellules : Les ultrasons de type sonde sont utilisés pour désintégrer et perturber les cellules et les tissus à diverses fins, telles que l'extraction de composants intracellulaires, l'inactivation microbienne ou la préparation d'échantillons à des fins d'analyse. Les ondes ultrasoniques de haute intensité et la cavitation ainsi générée provoquent des contraintes mécaniques et des forces de cisaillement qui entraînent la désintégration des structures cellulaires. Dans la recherche biologique et le diagnostic médical, les ultrasons de type sonde sont utilisés pour la lyse cellulaire, processus qui consiste à ouvrir les cellules pour en libérer les composants intracellulaires. L'énergie ultrasonique perturbe les parois cellulaires, les membranes et les organites, ce qui permet d'extraire les protéines, l'ADN, l'ARN et d'autres constituants cellulaires.

 
Il s'agit là de quelques-unes des principales applications des ultrasons à sonde, mais cette technologie a un éventail encore plus large d'utilisations, notamment la sonochimie, la réduction de la taille des particules (broyage humide), la synthèse ascendante de particules et la sono-synthèse de substances et de matériaux chimiques dans diverses industries telles que les produits pharmaceutiques, la transformation des aliments, la biotechnologie et les sciences de l'environnement.

Séquence à grande vitesse (de a à f) d'images illustrant l'exfoliation sono-mécanique d'une paillette de graphite dans l'eau en utilisant l'UP200S, un appareil à ultrasons de 200 W avec une sonotrode de 3 mm. Les flèches indiquent l'endroit où les particules se séparent et où les bulles de cavitation pénètrent dans la fente.
Tyurnina et al. 2020

Vidéo sur la cavitation acoustique dans un liquide

La vidéo suivante montre la cavitation acoustique à la cascatrode de l'appareil à ultrasons UIP1000hdT dans une colonne de verre remplie d'eau. La colonne de verre est éclairée par le bas par une lumière rouge afin d'améliorer la visualisation des bulles de cavitation.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :