Contraintes de cisaillement induites par cavitation ultrasonore sur des parois élastiques et rigides – CaviStress

Le cisaillement induit par des bulles de cavitation est un élément clé dans plusieurs applications ultrasonores dans les domaines de l’ingénierie, de la chimie et du biomédical. En ingénierie, il est mis en œuvre au sein d’applications de nettoyage par ultrasons, de micro-mélange de liquides, pour l'intensification des réactions chimiques et des processus d'échange de chaleur. Dans le domaine biomédical, il est sous-jacent aux applications de délivrance de médicaments par ultrasons, d'ouverture de la barrière hémato-encéphalique induite par ultrasons, de lyse de bactéries ou de désinfection. Pendant des décennies, les travaux portant sur le cisaillement induit par des bulles de cavitation ont principalement porté sur les mécanismes violents résultant de l'effondrement des bulles, notamment les émissions d'ondes de choc et la génération de microjets. Des études récentes ont démontré que des bulles purement oscillantes peuvent elles aussi produire des effets mécaniques importants sur des surfaces rigides ou élastiques grâce à la génération de contraintes de cisaillement. Ces contraintes de cisaillement résultent des écoulements liquides créés au voisinage des bulles oscillantes. Jusqu'à présent, leur influence sur la surface a principalement été étudiée qualitativement. La mesure quantitative de la contrainte de cisaillement, ainsi que le contrôle potentiel de la force exercée par une bulle oscillante ou s'effondrant près de surfaces rigides et élastiques, sont encore mal compris et mal maîtrisés.
Le projet CaviStress vise ainsi à mieux quantifier la contrainte de cisaillement induite par les bulles, à travers des investigations théoriques, numériques et expérimentales portant sur l'interaction entre une bulle de cavitation et une proche paroi. L'objectif principal du projet est le contrôle et l'optimisation des contraintes pariétales induites par des bulles de cavitation, et leur application dans deux domaines différents : (i) l'élimination des particules sur les surfaces solides, et (ii) l'internalisation moléculaire dans les cellules biologiques.
La contrainte de cisaillement induite par les bulles oscillantes et s'effondrant à la fois dans un fluide infini et près de parois rigides ou élastiques sera étudié théoriquement et numériquement. Un modèle théorique sera développé pour prédire l’écoulement liquide induit par les bulles. Les résultats théoriques seront comparés à des expériences contrôlées, dans différentes configurations : de la bulle unique à un nuage de bulles où se produisent turbulences et mélange. Une fois l’écoulement caractérisé, la contrainte de cisaillement sera quantifiée théoriquement et numériquement. L'étude expérimentale de l'impact du cisaillement sur les parois rigides portera sur la détermination d’un ensemble de paramètres permettant le nettoyage de surface sans dommages. En parallèle, l’étude expérimentale de l'impact du cisaillement sur les parois élastiques sera axée sur l'internalisation des molécules dans les cellules biologiques, afin d’évaluer l'efficacité de poration des cellules résultant des bulles oscillantes ou s'effondrant en cavitation contrôlée. La quantification et la comparaison des effets mécaniques induits par les bulles favoriseront la conception de nouvelles procédures et de dispositifs échographiques originaux.