Une eau pétillante froide. Vagues se brisant sur la plage. Le crépitement d’un feu de joie. Vapeur d’une bouilloire.
Ce ne sont pas seulement les ingrédients d’un week-end de détente, mais aussi des sources d’aérosols dans notre environnement. Bien que certaines de ces sources d’aérosols ne soient pas vraiment préoccupantes, les aérosols provenant de sources industrielles, telles que les usines de traitement des eaux usées, et même de sources naturelles, telles que les embruns et la poussière, ont la capacité d’avoir un impact plus important sur le l’environnement et même la santé publique.
Un aérosol est une suspension de gouttelettes liquides ou de fines particules solides en suspension dans l’air. Bien que les aérosols soient générés de nombreuses façons, l’une des sources les plus importantes est l’éclatement de bulles à l’interface entre un liquide et l’air. La plupart des recherches précédentes se sont concentrées sur les bulles « propres » malgré la prévalence accrue des interfaces contaminées.
De nouvelles recherches du professeur adjoint Jie Feng en sciences mécaniques et en génie de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign et de l’étudiant diplômé Zhengyu Yang ont montré que l’éclatement de bulles recouvertes d’une fine couche d’huile produit des gouttes de plus petite taille, un plus grand nombre global de gouttes et sont éjectées à un une vitesse plus élevée que les bulles générées dans l’eau propre. Cette recherche vient d’être publiée dans Physique naturelle.
Les aérosols sont assez omniprésents dans notre environnement et peuvent être de nature naturelle ou anthropique. Les aérosols à bulles jouent un rôle clé dans le transfert de masse à travers les interfaces liquides. Les aérosols d’embruns marins, par exemple, sont principalement générés par l’éclatement de bulles à la surface de l’océan. Les gouttes produites par l’éclatement des bulles peuvent avoir un impact sur la pollution de l’air, le climat mondial et même la transmission de maladies infectieuses. Un paramètre important de ces gouttelettes est leur taille puisqu’elle est indicative du temps de résidence et du transport dans l’atmosphère – les petites gouttes sont plus facilement soulevées par les vents et peuvent voyager beaucoup plus loin.
Vue latérale à grande vitesse d’un jet singulier d’une bulle enrobée d’huile éclatant avec μo = 4,6 mPa s et ψo = 10 %. R = 2,0 mm. Crédit: Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-023-01958-z
Feng dit : « Nous avons de l’eau contaminée partout. Lorsque la bulle monte d’une eau plus profonde à la surface, elle recueille des contaminants et forme une couche organique autour d’elle. Nous appelons cela une bulle contaminée. Lorsqu’elle atteint la surface et éclate, elle peut en fait aérosoliser ces contaminants en petites gouttelettes. »
Feng et Yang ont étudié l’impact d’une fine couche d’huile sur l’éclatement des bulles, en tant que système modèle pour les bulles contaminées. L’éclatement d’une bulle nue de taille millimétrique sur une surface aqueuse produit des gouttes d’une taille typique d’environ 100 micromètres (µm) (un cheveu humain typique mesure environ 100-200 µm). Dans ce travail, ils ont découvert que les gouttes peuvent être aussi petites que quelques µm lorsque la bulle qui éclate est recouverte d’une fine couche d’huile. De plus, l’éclatement de bulles nues produit des gouttes avec une vitesse d’éjection typique de 1 mètre par seconde (m/s), tandis que l’éclatement de bulles enduites d’huile produit des gouttes avec une vitesse d’éjection aussi grande que 10 m/s.
Feng résume : « La principale conclusion de nos travaux est que nous avons trouvé, pour ces bulles contaminées, qu’elles peuvent assez efficacement aérosoliser les contaminants en gouttelettes de taille micronique. »
Dans un environnement industriel comme une usine de traitement des eaux usées, de petites gouttes contaminées peuvent présenter un risque important pour ceux qui travaillent dans l’usine. L’éclatement de bulles dans ces environnements peut générer des brouillards acides et des bioaérosols. Comprendre l’effet des bulles contaminées sur la distribution de la taille et les vitesses d’éjection est essentiel pour concevoir un équipement de protection individuelle efficace et mettre en œuvre des directives supplémentaires sur la qualité de l’air et de l’eau à proximité de ces installations.
À plus grande échelle, les aérosols ont un effet sur le temps, le climat et même la santé humaine.
« Ces gouttelettes peuvent transporter des agents pathogènes, des bactéries et des virus », a déclaré Yang. « Lorsque vous avez ces petits aérosols et qu’ils peuvent être éjectés plus haut, la petite taille et la vitesse d’éjection plus élevée peuvent les aider à rester plus longtemps dans l’atmosphère. » Comprendre la taille et la composition des aérosols est important pour améliorer les efforts de modélisation mondiaux. De plus, ces gouttes contaminées peuvent présenter un plus grand risque de propagation des polluants ainsi que d’infection puisque les aérosols plus petits sont capables de pénétrer plus loin dans les voies respiratoires que les aérosols plus gros.
Parmi les autres contributeurs à ce travail figurent Bingqiang Ji (co-auteur, postdoc, MechSE, UIUC) et Jesse T. Ault (professeur adjoint, School of Engineering, Brown University).
Plus d’information:
Zhengyu Yang et al, Formation de jet singulier améliorée lors de l’éclatement de bulles recouvertes d’huile, Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-023-01958-z