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En 1930, des physiciens de l'université de Cologne (Allemagne) remarquent que lorsqu'ils envoient des ultrasons dans l'eau, il se forme des bulles qui émettent de la lumière.
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Le halo rouge (au centre) résulte de l'ionisation partielle d'une bulle de gaz compressée par des ondes ultrasonores.
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© Ruediger Toegel
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Cette "sonoluminescence" reste bien étrange et difficilement observable pendant de nombreuses années, car les bulles bougent sans cesse et la lumière est très faible et très brève.
C'est seulement en 1989 qu'on a pu mieux comprendre le phénomène, grâce à Felipe Gaitan, alors étudiant à l'université du Mississipi. Ce dernier réussit à produire une seule bulle à la fois, en la piégeant dans une bouteille. Alors que les bulles éclatent quand il y en a plusieurs, la bulle unique est stable et peut briller plusieurs minutes, la rendant observable à l'œil nu.
En réalité, la lumière n'est pas continue, mais constituée de flashs toutes les 0,2 millisecondes. Ces flashs correspondent à une phase de décompression brutale de la bulle. Ils durent chacun entre 100 et 300 picosecondes (millième de milliardième de seconde).
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| 1/ Excitée par des ultrasons, la bulle se dilate jusqu'à 10 fois sa taille initiale (1000 fois son volume)
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2/ Comme la dilatation fait chuter la pression à l'intérieur de la bulle, l'eau se vaporise et pénètre dans la bulle.
La bulle se contracte brusquement à un huitième de sa taille initiale.
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3/ Une partie du gaz qu'elle contient s'échappe, et il ne reste dans la bulle que le gaz non soluble dans l'eau, c'est-à-dire les gaz rares, très stables. |
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| 4/ La température augmente, jusqu'à atteindre quelques milliers de degrés en une nanoseconde (un milliardième de seconde). Lorsqu'elle est assez élevée, la bulle émet un éclair lumineux.
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5/ La température chute, et la bulle se redilate avec quelques rebonds, avant que le cycle ne redémarre. |
Quelques conditions sont nécessaires pour observer une émission lumineuse
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La bulle n'est stable que si elle est quasi sphérique. Si la forme de la bulle s'écarte trop de la sphère, elle devient instable et éclate.
La quantité suffisante de gaz rares dissous dans l'eau. L'air contient en effet de faibles proportions de ces gaz, le plus courant étant l'argon (1% environ). Si il y a trop peu d'argon, la lumière n'est pas stable.
La température. Dans l'eau froide, les bulles sont plus stables et on peut leur appliquer de plus fortes pressions.
L'intensité des ultrasons. Il existe une valeur optimale pour que la sonoluminescence soit assez brillante et stable (entre 1,3 et 1,6 atmosphères).
| En
savoir plus |
| Les ultrasons sont des fréquences plus élevées que celles du son perçu par notre oreille. Ils ont une longueur d'onde comprise entre 20 000 et 1 milliard de Hertz. |
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Quelles applications ?
Inutile d'espérer éclairer votre séjour avec une lampe à ultrasons : le rendement est bien trop faible. Par contre, la sonoluminescence peut être utilisée en chimie (pour accélérer des réactions), dans l'industrie (pour réduire les phénomènes d'érosion par cavitation dans les moteurs à explosion des avions), ou dans les produits d'entretien (lessives à ultrasons).
Mais la piste la plus prometteuse semble être la médecine : des minuscules bulles encapsulées servent par exemple d'effet-contraste en échographie, améliorant ainsi la qualité des images. Des médecins imaginent aussi utiliser de telles bulles pour faire éclater des cellules cancéreuses.
Certains scientifiques pensaient pouvoir utiliser la sonoluminescence pour la fusion nucléaire. Hélas, la température de la bulle, même très élevée, n'est pas encore suffisante.
» Et aussi : Pourquoi
l'éclair fait du bruit ?
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