Sonochimie : innovations et enjeux

Les ultrasons sont des ondes sonores qui se propagent grâce à l’élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales alternant les zones de compression et de dilatation du milieu traversé. Comme toutes les ondes, les ultrasons sont caractérisés par une période (T, exprimée en secondes) désignant le temps nécessaire à une oscillation, et une fréquence (f, exprimée en Hertz) qui définit le nombre de périodes par unité de temps. La gamme de fréquences des ultrasons se situe entre 20 kHz et 200 MHz, au-dessus des fréquences du domaine de l’audible, mais peut être divisée en deux régions distinctes : les ultrasons de diagnostics (entre 2 et 200 MHz), utilisés en imagerie médicale notamment, et les ultrasons de puissance (entre 20 kHz et 2 MHz) utilisés en chimie et qui font l’objet de cet article.

Les effets des ultrasons sont à l’origine du phénomène de cavitation qui se définit par la formation, la croissance et l'effondrement de microbulles gazeuses en phase liquide. Les effets locaux intenses dus à l'effondrement brutal de ces bulles de cavitation sont à l'origine de toutes les applications de la sonochimie. Ces conditions extrêmes, à la fois physiques (ondes de choc, microjets, phénomène de microconvection, microémulsion, etc.), thermiques (températures supérieures à quelques milliers de degrés au cœur de la bulle de cavitation) et chimiques (production d’espèces radicalaires en solution) conduisent parfois à de plus grandes efficacités de transformation de molécules, matériaux ou polymères, mais aussi à de nouvelles réactivités ou fonctionnalisations, parfois complètement inattendues par rapport à des conditions plus classiques. Ces résultats uniques constituent un atout de taille pour le développement de potentielles futures innovations impliquant l’utilisation des ultrasons.

En effet, l’industrie chimique est confrontée à de nouveaux enjeux et à la nécessité de faire émerger de nouvelles innovations technologiques, à la fois pour réduire les impacts environnementaux des procédés mais aussi pour augmenter la productivité. Ainsi, la chimie fait de plus en plus appel à des méthodes d’activation physique et des technologies de rupture mettant en œuvre les ultrasons, mais aussi les micro-ondes, le plasma froid, le broyage réactif, les fluides supercritiques ou d’autres. Ces technologies avancées permettant notamment l’activation de synthèses chimiques ou de préparations de matériaux, ou encore de nouvelles applications en écoextraction, dans la valorisation de biomasses et de déchets, ou dans le secteur de la dépollution d’effluents liquides. L’utilisation des ondes ultrasonores peut donc jouer un rôle clé en termes d’innovation dans différentes applications dans un contexte de chimie verte et de décarbonation de l’industrie.

Cet article explique dans les grandes lignes le principe de la sonochimie en détaillant les différents paramètres influençant les phénomènes associés et en discutant la contribution de cette technologie à une chimie plus verte. Les recherches de ces dernières années dans le domaine sont ensuite abordées pour montrer les enjeux actuels de la sonochimie dans différents champs d’application. L’évolution des équipements et de l’industrialisation des procédés sonochimiques est ensuite discutée. Enfin, après un bref historique sur le développement de la sonochimie, la structuration du paysage français des sonochimistes est également décrite. L’article conclut sur une série de recommandations dans le cadre de l’utilisation des ultrasons en chimie.