M´ ethodes optiques et acoustique

T pour l’eau, normalis´ee pour reproduire les r´esultats exp´erimentaux. Figures extraites de [86] et [85].

La fr´equence d’oscillation donne la taille des bulles. Le signal entre 1 ˚A−1 _{et 5 ˚A}−1

est dˆu `a la compression du fluide. Il est compar´e avec la variation connue du facteur de structure avec la pression (ligne rouge), ce qui permet de quantifier la variation de volume de l’eau et donc la taille de la bulle de vapeur produite. Dans la r´egion Q > 5 ˚

A−1_{une partie du signal est n´egatif, ce qui indique la fusion des particules. Les auteurs}

pr´ecisent en outre qu’une fragmentation des particules peut ˆetre ´egalement observ´ee pour les fluences les plus ´elev´ees.

La microscopie `a transmission ´electronique et la diffraction des rayons X r´esolue en temps sont cependant des m´ethodes coˆuteuses et difficiles `a mettre en place.

I.5.1.2 M´ethodes optiques et acoustique

Lapotko et al. proposent trois techniques de d´etection qui peuvent ˆetre coupl´ees pour identifier la pr´esence de nanobulles [30, 87]. Ces m´ethodes sont sch´ematis´ees sur la figure 24 et les observations ´emanant de chacune d’entre elles sont donn´ees sur la figure 25.

Mesure de la lumi`ere diffus´ee: la mesure de la lumi`ere diffus´ee par les nanobulles `

a partir d’une source laser puls´ee de dur´ee plus courte que le temps de vie des bulles, qui compense la faible section efficace de diffusion des bulles, peut ˆetre synchronis´ee avec la source de diffusion. Cette m´ethode donne une vue d’ensemble de la solution

de nanoparticules (figure 24-a et encart de la figure 25-I). Elle permet d’obtenir un instantan´e de l’´etat du syst`eme.

Mesure de l’extinction: la mesure de l’extinction d’un signal sonde en continu offre une meilleure r´esolution spatio-temporelle et permet de suivre la dynamique d’une bulle par la variation de l’intensit´e du signal collect´e. Une nanobulle n’absorbant pas le rayonnement, l’extinction du signal est ´egale `a la fraction diffus´ee par la bulle. La d´etection doit cependant ˆetre focalis´ee sur une nanobulle en particulier, n´egligeant les ph´enom`enes se produisant autour de nanoparticules plus ´eloign´ees (figures 24-b et 25-I). On constate sur les figures 25-I que l’intensit´e du signal re¸cu est d’autant plus grande que le nombre de bulles g´en´er´ees est important. Cette m´ethode renseigne en outre sur les aspects temporels de la production des bulles.

Mesure acoustique: la d´etection acoustique permet d’identifier la pr´esence d’´eventuelles ondes de pression (figures 24-c et 25-II). On voit sur les figures 25-II que la g´en´eration d’une nanobulle s’accompagne de l’´emission d’une onde de pression, plusieurs bulles g´en´erant plusieurs ondes.

Figure 24: Trois m´ethodes de d´etection des nanobulles. (a) Diffusion optique r´esolue en temps avec un pulse sonde court et une d´etection lente d’image. (b) Extinction optique mesur´ee en continu avec un photod´etecteur rapide. (c) D´etection acoustique r´esolue en temps avec un d´etecteur d’ultrasons. Figure reproduite de [87].

Figure 25: R´esultats obtenus avec les m´ethodes pr´esent´ees en figure 24. (I) Mesure d’extinction optique (figures principales) et de diffusion (encarts). (II) R´eponse acous-tique. Les figures (a) correspondent `a une nanobulle unique et les figures (b) `a plusieurs nanobulles de diam`etres maximaux diff´erents (la fluence du laser pompe ´etant plus ´

Nous avons ici pr´esent´e bri`evement les trois m´ethodes propos´ees par Lapotko et al. Nous proposons `a pr´esent de donner une explication des r´esultats observ´es par ces m´ethodes.

Exploitation des r´esultats: Int´eressons-nous maintenant aux r´esultats de ce type d’exp´erience men´ee sur des nanoparticules uniques (figure 27-a) et sur des clusters de nanoparticules (figure 27-e) par Lapotko et al. [31]. Leur m´ethode repose sur la g´en´eration de nanobulles grˆace `a un laser pompe op´erant `a la r´esonance plasmon (520 nm) et la d´etection avec un laser sonde de faible fluence et hors r´esonance (690 nm), ce qui permet de limiter les effets de l’observation sur le syst`eme. Le laser pompe illumine une large r´egion et son intensit´e est plus importante au centre du faisceau. Les particules se trouvant `a cet endroit sont donc plus fortement chauff´ees que celles situ´ees en p´eriph´erie du faisceau. Les auteurs observent, comme reproduit sur les figures 27-b (particules uniques) et 27-f (clusters), une disparition du signal sonde pour des particules peu chauff´ees par le laser pompe, alors que les nanoparticules au centre du faisceau pompe montrent une augmentation tr`es importante de l’intensit´e du signal sonde diffus´e (bleaching).

Ils attribuent ces observations `a la pr´esence de nanobulles autour des particules ou clusters les plus chauff´es, nanobulles qui sont d’excellentes sources de dispersion de la lumi`ere. Les nanoparticules les moins chauff´ees, quant `a elles, relaxent par ´echange thermique avec le fluide environnant. Il se cr´ee donc dans leur environnement un gra-dient thermique, qui introduit un gragra-dient d’indice optique responsable de la disparition du signal [31, 27]. Ce ph´enom`ene, comparable `a l’effet mirage `a l’´echelle macroscopique, est sch´ematis´e sur la figure 26.

Figure 26: Repr´esentation sch´ematique de l’interaction laser sonde - particule en pr´esence d’une bulle de vapeur (gauche) et pour une particule entour´ee d’un fluide sous gradient thermique (droite). Figure reproduite de [31].

L’utilisation de clusters permet d’augmenter l’intensit´e de l’interaction avec le laser pompe par recouvrement des r´esonances plasmon et des gradients thermiques autour des particules individuelles (voir la repr´esentation sch´ematique de la figure 11-c page 25 propos´ee par [37]). Il en r´esulte de plus grosses bulles [30]. Sur la figure 27-g, on voit que ceci se traduit par une intensit´e plus grande des signaux optiques, en comparaison avec la figure 27-c.

Figure 27: Images obtenues par dispersion optique r´esolue en temps sur des nanopar-ticules de diam`etre 250 nm (figures de gauche) et sur des particules ou clusters de particules de diam`etre 30 nm (figures de droite), avant utilisation du laser pompe ((a) et (e)) et 9 ns apr`es ((b) et (f)). Les figures (c) et (g) montrent l’amplitude du signal mesur´e en fonction de la position dans l’´echantillon: 1- avant le laser pompe. 2- 9 ns apr`es le laser pompe. 3- ´Etendue spatiale du laser pompe. Figures reproduites de [31].