Projet ANR-10-JCJC-0407 – CAVISOFT : Cavitation et dynamique de bulles : des plantes à la matière molle.
Programme : JCJC : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Constituants fondamentaux de la matière, physique de la matière condensée (JCJC SIMI 4)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Xavier Noblin (CNRS - DELEGATION REGIONALE COTE D'AZUR)
Partenaires : Laboratoire de Physique de la Matière Condensée
Montant : 220000.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Cavitation et dynamique de bulles : des plantes à la matière molle.Le but est l'étude de phénomènes de dynamique de bulles en dépression (nucléation, croissance, déformation) dans un liquide. Les systèmes étudiés concernent à la fois des systèmes naturels, biologiques, mais aussi des systèmes artificiels en hydrogels ou constitués de fluides complexes.
Etude de la dynamique de croissance de bulles dans des liquides en dépression : systèmes naturels végétaux et systèmes microfabriqués en gels.Le contexte du projet est l’étude de phénomènes de dynamique de bulles en dépression (nucléation, croissance, déformation) dans un liquide à la fois dans des systèmes naturels, biologiques mais aussi dans des systèmes artificiels, issus du domaine de la physique de la matière molle. Sur les trois thèmes (sporanges de fougères, réseaux de cavités en hydrogels et fluides complexes),  les aspects expérimentaux et de modélisation (théorique et/ou numérique) ont été développés. Les dynamiques de bulles traités regroupent deux phénomènes. i) La nucléation violente de bulles de cavitation dans des liquides placés en pressions hautement négatives (-100 bars pour les sporanges de fougères, jusqu’à -250 bars pour les dispositifs biomimétiques en hydrogels). ii) La nucléation et la croissance de bulles de gaz dissous dans un fluide complexe dépressurisé, mais à pression positive. Les retombées au niveau techniques sont une meilleure compréhension de l’utilisation de l’évaporation pour générer des déformations (MEMS). Les nouveaux mécanismes de propagation de la cavitation identifiés peuvent s’avérer être d’importance capitale pour les arbres et la compréhension des mécanismes de résistance à la sécheresse.
Imagerie rapide, microfabrication et microfluidique pour l’étude de la cavitation et de la croissance de bulles dans des systèmes naturels et artificiels.L’étude du mouvement rapide des sporanges de fougères a pu être mené grâce à l’utilisation d’imagerie rapide jusqu’à 200000 images/s. Pour l’étude du phénomène de propagation rapide de la nucléation, nous avons pu réaliser des films jusqu’à 1 500 000 images/s. Ces mesures ont été rendues possibles en utilisant des canaux microfluidiques en bloquant les sporanges à l’intérieur et en utilisant des solutions osmotiques. Cela a permis de mettre en évidence à l’échelle de temps de l’ordre de la microseconde un phénomène complétement nouveau de propagation de la cavitation. Nous avons pleinement rempli nos objectifs en réussissant à reproduire ce phénomène dans des systèmes biomimétiques en hydrogels par lithographie douce. Nous avons modifié la méthode au cours du projet pour atteindre des géométries capables de reproduire le phénomène naturel. A la fin du projet des techniques acoustiques sont venues compléter les expériences d’imagerie. Sur l’aspect fluides complexes, nous avons pu déterminer le rôle de la rhéologie sur la morphologie des bulles, mais son influence faible sur la taux de croissance des bulles lors des descentes en pression.
Résumé de la soumission : Lors d’une transition de phase du premier ordre, une barrière d’énergie doit être dépassée du fait du coût requis pour créer une interface. La nucléation de vapeur dans un liquide chauffé, ou porté à des faibles pressions peut ainsi être retardée, bien qu’étant un état plus stable. Le liquide reste lui dans un état métastable, il est dit respectivement « surchauffé » ou « sous tension ». Lorsque les contraintes de tension ne peuvent plus être maintenue, des bulles sont nucléées, par exemple derrière des hélices de bateau ou lors de la sonoluminescence. Les laveurs à ultrasons sont une application de la libération de grandes densités d’énergie lors de l’effondrement d’une bulle. De nombreuses études ont été menées lorsque des pressions négatives sont générées transitoirement et localement dans un liquide. Nous nous intéressons ici à un destin différent pour ces bulles : lorsque la totalité du liquide est sous tension statique. On s’attend à ce que les bulles grandissent jusqu'à une taille d’équilibre. Ces bulles peuvent interagir entre elles ou avec ce qui les confine. Les arbres transportent de l’eau sous tension à des altitudes bien plus élevées que les dix mètres correspondant à la pression atmosphérique. Les sporanges de fougères, sont des sortes de catapultes qui éjectent rapidement leurs spores. En effet de l’énergie élastique est stockée grâce à de l’eau sous tension qui s’évapore et est relâchée au moment d’un événement de cavitation.  Les végétaux peuvent ainsi être une grande source d’inspiration autant pour des applications technologiques que pour de nouvelles perspectives en physique fondamentale. Nous proposons de nous inspirer des plantes pour étudier les phénomènes de nucléation et de dynamique de bulles dans le domaine de la microfluidique, des fluides complexes et des milieux poreux, ainsi dans des situations plus complexes que celle d’un liquide simple en volume ou près d’une paroi. De telles expériences dans des liquides purs sous tension ont été peu développées comparé à d’autres méthodes dynamiques.Premièrement nous regarderons le cas de la cavitation dans les sporanges de fougères en étudiant en particulier le seuil en pression de cavitation et l’éventuelle corrélation entre les événements de nucléation. Nous construirons ensuite des dispositifs artificiels inspirés par les fougères. Le point principal concernera les effets de confinement dans des canaux à 1D avec des parois rigides ou flexibles jusqu’au matériaux poreux en 3D lorsqu’une bulle y croit. Nous nous intéresserons également à l’effet des conditions de mouillage de la paroi.Enfin on s’attaquera au cas des gels. En effet on peut voir un gel comme un milieu poreux microscopique avec un squelette flexible. De surcroît on pense que c’est au niveau de ce genre de matériaux que des bulles croissent lorsque une embolie se propage dans les plantes. L’utilisation de tel matériaux viscoélastique / plastique permettra d’étendre notre étude aux cas de la rupture dans des matériaux solides qui se produit après un phénomène de cavitation suivi de fractures se connectant. Ce sujet se veut fortement interdisciplinaire et implique des collaborations avec des biologistes mais aussi des chimistes. Il induira des approches à la fois expérimentales sur des objets naturels, ou des dispositifs microfluidiques. Différentes approches numériques et théoriques seront également utilisées. Ce projet est une évolution naturelle des thématiques du labo qui permettra de structurer l’équipe autour de la matière molle et de la biophysique. La cavitation et les pressions négatives ont des applications importantes en ingénierie et en médecine, mais également en agronomie. Les conséquences d’épisodes de sécheresses intenses, liés au changement du climat sur les végétaux sont directement reliées à leur résistance à la cavitation. Notre travail pourra aider à la compréhension de ses effets dans les plantes, où microcanaux, milieu poreux et gels sont tous présents.
Résultats : Le premier résultat majeur du projet a été la compréhension du mécanisme à deux temps caractéristiques des sporanges de fougères. Le second résultat très important concerne la découverte d’un nouveau mécanisme de propagation de la cavitation dans les sporanges de fougères puis dans des dispositifs biomimétiques. Dans ceux-ci des paramètres ont pu être variés pour mieux comprendre le mécanisme de propagation couplant oscillations de bulles et acoustique.
Perspectives : Ces expériences ont intéressées une équipe renommée de théoriciens de l’Université la Sapienza à Rome travaillant sur la cavitation. Une nouvelle collaboration est lancée et une thèse en co-tutelle a commencé.
Publications et brevets : Un article dans la revue SCIENCE a été publié. Cela a été suivi d’un film de vulgarisation, d’articles dans le New York Times, Pour la Science. Un autre a été soumis dans Journal of the Royal Society : Interface. Plusieurs articles sont en cours de soumission, dont l’un dans un journal de très haut niveau. Plusieurs articles sont aussi en préparation et devrait être soumis très prochainement.