Nous allons présenter qualitativement l’ensemble des observations effectuées au cours de nos expériences de réenvol de particules, par ordre croissant de tailles de particules, en commençant par les spores d’Aspergillus niger. Le système de dépôt de thèses actuel ne permettant pas le dépôt de vidéos, nous avons inséré des captures d’écran au présent manuscrit, systématiquement associées à un lien internet permettant de voir la vidéo hébergée sur Viméo, qui nous a semblé le service le plus adapté. Nous avons par ailleurs essayé de classer les différentes vidéos en fonction des phénomènes de réenvol observés, qui coincident en général avec la taille des particules.
Réentraînement de spores fongiques
Nous avons utilisé des cultures d’Aspergillus niger que nous avons déposé sur des lames de verre en tamponnant les milieux de culture au dessus du substrat. Les spores se sont ainsi détachées individuellement ou en tas. Le flux est tangentiel et le débit maximal, ce qui nous donne une vitesse de l’écoulement non perturbé de 30 m/s. Dans le plan focal, nous observons que les spores se détachent peu, et qu’elles ont tendance à se recoller dans la foulée. Quelques tas, offrant plus de portée au flux, se détachent, et entraînent avec eux quelques spores isolées. On devine, hors du plan focal, que des spores détachées en amont se sont réenvolées. Il est impossible de dire ici
quel sont les mécanismes de détachement. Pour ce faire, il faudrait disposer d’un grandissement supérieur et d’un éclairage plus intense.
Réentraînement de spores fongiques : pour voir la vidéo :https: //vimeo.com/51613439
Réentraînement de très petites particules
Nous avons déposé sur une lame de verre des billes de verre sphériques dans deux gammes de taille : 2−6 µm et 16−22 µm. La première est proche de la taille des spores et nous observons des phénomènes similaires : peu de réenvol, quelques réentraînements suivis de redéposition, quelques réenvols dus aux chocs avec des particules réentraînées en amont, et des particules réenvolées hors du champ focal. La deuxième gamme, plus grande, permet d’observer un réenvol de la majorité des billes déposées. Il semble que les réenvols par choc avec des particules détachées en amont soit d’une importance prédominante.
Réentraînement de très petites particules : pour voir la vidéo :
Effet billard ou boule de neige
Nous avons utilisé des billes de verre sphériques d’un diamètre moyen de 100 µm, déposées sur une lame de verre. Nous les avons observées en deux zones : la première, en plein milieu du tapis de particules ; la seconde, sur le bord d’attaque, c’est à dire à l’endroit ou le flux rencontre pour la première fois les particules. On constate que pratiquement aucune particule ne se décroche sur le bord d’attaque, alors qu’elles sont pratiquement toutes réentraînées dans la première zone. Cela montre bien l’importance de ne pas oublier, lorsque l’on adopte une approche statique avec une sphère isolée, comme ce sera le cas dans la partie suivante, que les réenvols peuvent également avoir lieu suite à un choc avec une autre particule. Les billes réentraînées semblent rouler mais il faudrait les observer latéralement pour confirmer cela.
Effet billard : pour voir la vidéo :https://vimeo.com/51608757
Réenvol par tas
Nous avons utilisé des billes de verres sphériques d’un diamètre moyen de 100 µm, déposées sur une lame de verre. L’observation latérale à l’aide d’un objectif macroscopique permet de constater la formation de plusieurs couches, et on devine lors de leurs déplacement que les particules s’attirent entre elles, sans savoir si c’est sous l’influence de forces de van der Waals ou de forces électrostatiques. On observe en premier lieu le réenvol des couches supérieures, par tas. On assiste ensuite au réentraînement de particules isolées, qui roulent jusqu’à rencontrer un obstacle, par exemple une autre particule, ce qui cause à la fois le réenvol de la première et le réentraînement de la seconde. Cela met en évidence l’importance de la rugosité des particules et des substrats sur lesquels elles sont déposées. Étant donné notre niveau de grandissement, il faudrait utiliser des particules de taille supérieure pour réellement observer les mécanismes de réenvol.
Réenvol par tas : pour voir la vidéo : https://vimeo.com/ 51608758
Roulement
Nous avons à nouveau utilisé des billes de verre sphériques d’un diamètre pouvant aller jusqu’à 500 µm, déposées sur une lame de verre. À cette taille, nous pouvons clairement observer le roulement des particules. La vidéo ne permet pas de dire si un réenvol a lieu ultérieurement. On constate également un phénomène de rebond lorsque les particules entrent en contact. Nous le justifierons dans la suite de l’exposé, mais signalons d’ores et déjà qu’à partir de cette taille, nous ne sommes plus du tout dans la couche limite de l’écoulement, et les particules subissent un flux turbulent, hors du cadre de ce travail. Nous avons réalisé les vidéos qui suivent par curiosité scientifique plus que par besoin pour la thèse.
Roulement : pour voir la vidéo :https://vimeo.com/51613440
Rebond
Nous avons utilisé des billes de verre sphériques d’un diamètre pouvant aller jusqu’à 500 µm, déposées sur une feuille de papier. On commence par observer une particule se réenvoler en en chevauchant une autre, et on constate que même à cette échelle, les forces d’attractions entre les
particules sont significatives : une particule sur le point d’être réentraînée est stoppée par une seconde. Comme précédemment, nous ne savons pas s’il s’agit de forces de van der Waals ou de forces électrostatiques, cette dernière hypothèse étant plausible puisque les particules comme le support sont diélectriques et soumis à un écoulement tangentiel d’air. On observe en outre des particules rebondir, ce qui est vraisemblablement dû aux propriétés mécaniques différentes du papier et du verre.
Rebond : pour voir la vidéo :https://vimeo.com/51608764
Glissement
Nous avons utilisé des particules de verre d’un diamètre pouvant aller jusqu’à 500 µm, déposées sur du mica fraîchement pelé. Le mica a la propriété d’être lisse à l’échelle atomique ; on constate d’ailleurs que les particules se réflechissent nettement sur le support. Les conditions nécessaires à réentraîner une particule par glissement sont théoriquement très restreintes, comme l’illustre la figure (8.2) ; nous observons cependant des particules de forme asymétrique glisser sur le mica, ce qui s’explique par la très faible rugosité du mica et par la forte non sphéricité des particules.
Tourbillon et arrachement
Nous avons observé des particules réentraînées par roulement, et par glissement dans certains cas très particuliers. Nous n’avons pas observé de réenvol se faire autrement que par choc entre particules. Afin d’observer un réenvol par arrachement direct, nous avons utilisé la configuration en flux ascendant de notre dispositif expérimental. Nous avons utilisé des billes de verres d’un diamètre maximal de 500 µm, déposées sur une lame de verre. Nous observons alors la création d’un tourbillon, et si la particule observée est placée suffisamment proche de l’aplomb de l’axe de l’aiguille, alors elle reste immobile ou tourne sur elle même, comme si elle se trouvait dans l’œil du cyclone. Un déséquilibre peut alors faire qu’elle est entraînée dans le tourbillon, et éventuellement finit par être arrachée du support.
Tourbillon et arrachement : pour voir la vidéo :https://vimeo. com/51613438
Limitations
Nous avons effectué ces expériences à l’aveugle, sans avoir idée du nombre de Reynolds local de l’écoulement autour de nos particules. Nous verrons dans la partie suivante comment la simu-lation numérique peut nous permettre d’accéder à ces paramètres. Il aurait sans aucun doute été profitable de mener les simulations en parallèle des expérimentations, que ce soit pour des raisons de temps (les simulations demandant un certain temps de calcul, ce dernier peut être employé à travailler sur les expériences) ou parce que nous aurions pu optimiser les expérimentations en fonction des résultats des simulations, et viser plus juste en paramétrant nos simulations grâce au retour d’expérience fourni par les expérimentations.
La limitation principale de cette série d’expériences est la taille des particules observables : nous n’avons pas pu caractériser les mécanismes de réentraînement des spores fongiques, alors que c’est notre principal sujet d’étude. De plus, nous avons eu de grandes difficultés à éclairer suffisamment les particules, ce qui est indispensable lorsque l’on filme à grande vitesse, et également lorsque l’on réalise des observations microscopiques. Une réédition de cette expérience devra à tout prix améliorer ces deux paramètres que sont les puissances de grandissement et d’éclairage.
Chapitre 6
Spores fongiques et ventilateurs
Figure 6.1: Mise en culture d’un prélèvement par écouvillonnage réalisé sur les pales d’un ordinateur portable du service de Pneumologie de l’Hôpital
Saint-Louis
6.1 Introduction
Nous avons constaté dans le chapitre précédent que les spores d’Aspergillus niger, en raison notamment de leur petite taille, adhèrent fortement aux surfaces. Il est peu probable que des mouvements d’air de faible intensité, comme des courants d’air, entraînent leur réenvol. Il existe cependant certains cas particuliers où la déposition et le réenvol de spores se produit. C’est le cas des pales de ventilateurs, notamment les petits ventilateurs de refroidissement de dispositifs électroniques. Ces ventilateurs se rencontrent dans de nombreux appareils, comme les ordinateurs portables. Le but des travaux présentés dans ce chapitre est de déterminer si de tels appareils peuvent représenter un danger de contamination en milieu hospitalier.
La recherche étant une activité fortement non-linéaire [14], il arrive que certaines découvertes soient inattendues. Nous souhaitions à l’origine homogénéiser un aérosol de spores dans une cuve
en PMMA. Nous avons pour cela employé des ventilateurs de refroidissement d’ordinateurs, tels ceux que l’on trouve dans les unités centrales. Nous avons alors constaté que la concentration par-ticulaire chutait plus rapidement que lors d’une sédimentation gravitationnelle, comme l’illustre la figure 6.2, dès que les ventilateurs étaient mis en fonction. Nous nous somme alors demandé où étaient passées ces spores. Des prélèvements par boite contact sur les pales des ventilateurs nous donnèrent la réponse.
Figure 6.2: Comparaison de la diminution de la concentration d’un aérosol fongique dans une cuve en PMMA avec ou sans
ventilateurs
Nous nous sommes alors demandé si les ventilateurs étaient également capables de relarguer les spores captées, et ainsi de contaminer une atmosphère saine. La réponse fut de nouveau positive. Il ne nous restait plus qu’à savoir si, en milieu hospitalier, de tels dispositifs étaient employés, et si l’on y trouvait effectivement des contaminants. Nous avons donc effectué des prélèvements dans divers services de l’hôpital Saint-Louis. La photographie (6.1), qui est une mise en culture d’un échantillon prélevé sur les pales d’un ventilateur d’ordinateur portable du service de pneumologie, parle d’elle-même.