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RÉSUMÉ
La sonochimie exploite les processus physico-chimiques qui ont lieu sous l'action des ultrasons en solution. Ces processus sont liés à la cavitation qui implique la formation et l'implosion de microbulles de gaz dans les liquides soumis aux ondes ultrasonores. Lors de leur effondrement, ces microbulles libèrent de l'énergie sous forme d’une intense chaleur locale, comparable à la température de la surface du Soleil (~ 5000 K), de pression élevée (≤ 1000 atm), d’ondes de choc et de microcourants acoustiques. Chaque bulle de cavitation peut être comparée à un microréacteur capable d'initier des réactions chimiques sans apport extérieur de chaleur, de réactifs ou de catalyseurs. Cet article présente un panorama des principales applications de la sonochimie en chimie organique.
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Micheline DRAYE : Professeure des universités, Docteur en chimie de l’université Claude Bernard Lyon 1 - Laboratoire EDYTEM UMR CNRS 5204, Université Savoie Mont Blanc, Le Bourget du Lac, France
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Julien ESTAGER : Project Manager en intensification des procédés, Docteur en chimie de l’université Savoie Mont Blanc - Certech, Seneffe, Belgique
INTRODUCTION
Apparues pour la première fois dans le registre fossile juste après le maximum thermique du Paléocène-Éocène (–55,93 Ma), les chauves-souris produisent naturellement des ultrasons dans une gamme de fréquences allant de 30 à 80 kHz. Cependant, ce n’est qu’au début du XXe siècle que l’être humain a appris à utiliser ces vibrations de manière fiable.
Inaudibles par l’oreille humaine, les ultrasons ont été découverts en 1883 par le physiologiste anglais Francis Galton (1822-1911) lors de l’invention du « sifflet à ultrasons ». Toutefois, c’est la découverte, en 1880, de la piézoélectricité par les frères Pierre (1859-1906) et Jacques (1856-1941) Curie qui a véritablement permis leur production facile et répétable, ouvrant la voie à leur utilisation pratique. Dès 1910, il a été possible de générer des ultrasons dans l’eau grâce à la disponibilité de matériaux piézoélectriques et d’appareillages électroniques puissants.
Après le drame du Titanic en 1912, Paul Langevin (1872-1946) propose leur utilisation pour la détection d’icebergs, puis, en 1915, il met au point la détection des sous-marins au moyen de ces vibrations non audibles, inaugurant ainsi leur première utilisation industrielle.
Des études en milieu aqueux permettent d’observer que les ultrasons entraînent des modifications du milieu dans lequel ils se propagent. Les travaux de Robert William Wood (1868-1955) et d’Alfred Lee Loomis (1887-1975) en biologie ainsi que de Théodore William Richards (1868-1928) et Alfred Lee Loomis en chimie sont considérés comme les premières expérimentations sonochimiques.
Cependant, ce n’est qu’à partir des années 1950, avec la mise à disposition des premiers générateurs à ultrasons fiables, que des chercheurs démontrent le potentiel des ondes ultrasonores en chimie.
Les années 1980 marquent une explosion du nombre de réactions de composés organiques réalisées dans des solvants organiques sous l’influence des ultrasons. Le terme de « sonochimie » est alors utilisé la première fois par Neppiras dans une revue consacrée à la cavitation.
Avec l’essor de la chimie durable, les propriétés remarquables des ultrasons placent la sonochimie au premier plan des technologies innovantes et durables, en proposant des solutions efficaces, plus respectueuses de l’environnement et en adéquation avec les exigences environnementales et industrielles actuelles.
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- Version archivée 1 de mai 2009 par Micheline DRAYE, Julien ESTAGER, Max MALACRIA, Jean-Philippe GODDARD, Cyril OLLIVIER
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Glossaire5. Conclusion et perspectives des ultrasons en chimie organique
Les ultrasons trouvent de nombreuses applications, de l’industrie alimentaire, l’aérospatiale, l’automobile, la construction au secteur médical. En sonochimie, s’ils apportent des solutions simples à certains problèmes de synthèse organique, l’interprétation théorique de leur incidence sur la réactivité des espèces chimiques en présence demeure en revanche, elle, complexe. Mais, bien que la compréhension du phénomène de cavitation soit incomplète, il est désormais possible d’expliquer rationnellement les effets des ultrasons en synthèse organique. En effet, si certaines réactions voient leurs cinétiques s’accélérer sans que les produits obtenus ne soient modifiés, d’autres, en revanche, subissent des inversions qui suggèrent une intervention plus spécifique du phénomène de cavitation, voire l’existence possible de processus de transferts d’électrons. Le couplage de la sonochimie à d’autres techniques permet de remédier à certaines de leurs limites et d’en améliorer l’efficacité. Par exemple, en électrochimie, les ultrasons de basse fréquence favorisent le dégazage du milieu réactionnel, maintiennent l’électrode de travail propre, diminuent l’épaisseur de la couche de diffusion et améliorent le transport de masse des réactifs. Ainsi, les effets de la cavitation acoustique conduisent à une amélioration de la cinétique et du rendement de la réaction. De même, l’association des micro-ondes et des ultrasons représente une avancée prometteuse pour la chimie organique, notamment en catalyse hétérogène, où la cavitation contrôle la taille des particules du catalyseur, tandis que les micro-ondes permettent un chauffage volumétrique et sélectif. Dans ce cadre, certaines études ont démontré l’efficacité de cette synergie pour la synthèse de liquides ioniques à température ambiante. Si la sonochimie a longtemps été confrontée à des problèmes de reproductibilité, notamment lors de l’utilisation de bacs à ultrasons, ils ont été dépassés grâce à l’utilisation de sondes ultrasonores et de systèmes standardisés. Néanmoins, l’un des défis majeurs de ces technologies dites « non conventionnelles » comme les ultrasons réside dans leur adaptation à l’échelle industrielle. À cet égard, des réacteurs microfluidiques commerciaux...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - THORNICROFT (J.), BARNABY (S.W.) - Torpedo-boat destroyers. – - Minutes Proc. Inst. Civil. Engineers 122, p. 51-69 (1895).
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(3) - YASUI (K.), TUZIUTI (T.), LEE (J.), KOZUKA (T.), TOWATA (A.), LIDA (Y.) - Numerical simulations of acoustic cavitation noise with temporal fluctuation in the number of bubbles. – - Ultrasonics Sonochem. 17, p. 460-472 (2010).
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(5) - LAUGIER (F.) - Les ultrasons en procédés polyphasiques : transfert gaz-liquide et réaction liquide-liquide. – - Thèse de doctorat, Institut Polytechnique de Toulouse, p. 10 (2007).
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