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Posté par Redbran le Vendredi 22/09/2017 à 12:00
Une galerie des murmures dans une goutte d'eau
Les ondes acoustiques peuvent servir à contrôler, agiter et mélanger les fluides avec une extrême précision. Des chercheurs de l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie, du laboratoire Matière et systèmes complexes et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) des nanosciences de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre...) ont expliqué comment ces ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de...) pouvaient induire la formation de tourbillons à l'échelle d'une goutte d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). Ce mécanisme se rapproche du phénomène acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires et à la...) de la galerie des murmures. Ces travaux sont publiés dans Journal of Fluid Mechanics, où ils sont mis en avant par un Focus on Fluids.

Très prisée dans le domaine biomédical, la microfluidique (La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l'une des dimensions caractéristiques est...) consiste à manipuler de très faibles volumes de liquides. Si les mélanges restent une opération complexe à ces échelles, ils peuvent être réalisés à l'aide d'ondes acoustiques de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...). Ces ondes, d'une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision, on...) de l'ordre du mégahertz, transfèrent graduellement leur quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse d'un objet. La quantité de mouvement d'un système fait partie, avec l'énergie, des valeurs qui se conservent lors des interactions entre...) au fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines...), qui s'agite alors avec une formation de microtourbillons. Des chercheurs de l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (Les nanosciences et nanotechnologies (NST) peuvent être définies a minima comme l'ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures, de dispositifs et de systèmes...) (IEMN, CNRS/Université Lille 1/ISEN Lille/Université Valenciennes/UVHC/École Centrale Lille), du laboratoire Matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) et systèmes complexes (MSC, CNRS/Université Paris Diderot) et de l'Institut des nanosciences de Paris (INSP, CNRS/UPMC) ont mis en évidence des topologies particulières de tourbillons, issues d'un phénomène apparenté à une galerie des murmures. Dans cette curiosité architecturale, un son peut être perçu sur de longues distances en raison de sa focalisation le long de voûtes. Deux personnes peuvent ainsi discuter à voix basse de chaque côté de certaines coupoles.

Ici, des calculs numériques ont dévoilé la focalisation d'un groupe d'ondes qui se propagent sur des orbites périodiques le long de la surface de la goutte. Elles sont en effet entièrement réfléchies quand elles atteignent le bord intérieur de la goutte, soit l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner...) entre l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines...) et le liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), et sont guidées en boucles elliptiques. La forme de calotte sphérique de la goutte, façonnée par sa tension (La tension est une force d'extension.) de surface, est à l'origine de cette concentration des ondes sur trois "caustiques", qui sont des sortes de lignes focales. Cette disposition très hétérogène du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) acoustique force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) l'écoulement interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une...) à adopter une structure particulière, constituée d'une ou deux paires de tourbillons. Ce sont eux qui permettent un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les substances...) efficace au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale...) de la goutte.


Galerie des murmures dans une gouttelette. (A-B) trajectoire des rayons acoustiques guidés par la surface de la goutte. (C) Simulation des courants acoustiques générés par les galeries des murmures.

Référence publication:
On the influence of viscosity and caustics on acoustic streaming (Le streaming (de l'anglais stream, "courant"), lecture en flux ou lecture en continu, aussi appelé lecture directe, lecture en transit, diffusion en mode continu ou encore diffusion de...) in sessile droplets: an experimental and a numerical study with a cost-effective method
A. Riaud, M. Baudoin, O. Bou Matar, J.-L. Thomas & P. Brunet,
Journal of Fluid Mechanics (juillet 2017)
DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2017.178

Contact chercheur:
- Antoine Riaud

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Source: CNRS-INSIS