Induction de microflux par des oscillations de bulles non sphériques dans un système de lévitation acoustique

La compréhension des actions mécaniques induites par les bulles est cruciale dans de nombreuses applications techniques et thérapeutiques. Le contrôle des oscillations des bulles et des écoulements induits à proximité reste une tâche difficile. Les techniques proposées permettent de contrôler l’oscillation de forme d’une seule bulle piégée dans un lévitateur acoustique.

Les écoulements induits sont ensuite visualisés et corrélés à la dynamique de la bulle. Estelle Mezianai, étudiante du Laboratoire d’application thérapeutique des ultrasons, fera la démonstration de la procédure. Commencez par la génération de bulles en plaçant le réservoir d’eau de l’oscillateur de telle sorte qu’un point de focalisation du laser soit situé à l’intérieur du réservoir d’eau, ce qui entraîne la génération d’étincelles pour chaque impulsion laser de 5 à 10 millijoules.

Allumez le transducteur à ultrasons et augmentez la tension appliquée jusqu’à ce que les bulles ne montent plus verticalement, mais déviennent vers l’anti-nœud de pression et soient piégées. Réglez l’éclairage rétroéclairé sur la diode électroluminescente continue et sélectionnez la caméra haute vitesse pour permettre l’observation de la bulle piégée. Pour piéger une bulle et capturer ses oscillations radiales, définissez la taille de l’image sur 128 x 128 pixels et le taux d’acquisition sur 180 kilohertz.

Enregistrez les oscillations radiales des bulles de 3 à 30 millisecondes sous des tensions de transducteur appliquées croissantes de 0 à 8 volts. Après le dernier enregistrement, éteignez le transducteur à ultrasons et capturez une image de l’arrière-plan pour la post-analyse. Pour le post-traitement de la série de vidéos, exécutez VoltagePressure.

EXE. Spécifier les paramètres physiques et expérimentaux et les valeurs de la tension appliquée pour la série d’enregistrements. Dans le panneau d’analyse du rayon de bulle, cliquez sur Paramètres de chargement et sélectionnez le dossier contenant toutes les séries vidéo et les fichiers d’image d’arrière-plan.

Pour chaque fichier vidéo, l’évolution du rayon de bulle sera tracée sur une période acoustique et un ajustement numérique sera superposé. Lorsque toutes les vidéos ont été traitées, cliquez sur régression linéaire pour effectuer un ajustement linéaire de la courbe de tension de pression. Les données seront enregistrées dans un fichier txt dans le répertoire courant.

Pour induire la coalescence des bulles, allumez le transducteur à ultrasons et réglez la tension appliquée suffisamment haut pour que la pression acoustique correspondante puisse déclencher une instabilité de surface, nucléez une bulle qui migrera ensuite vers son emplacement de piégeage. Lorsqu’une bulle piégée ne présente que des oscillations sphériques, générez une nouvelle étincelle laser. Lorsque la nouvelle bulle atteint l’emplacement de piégeage, la coalescence se produit Si la bulle coalescente ne présente que des oscillations sphériques après étincelle, générez une nouvelle bulle.

Mais notez que de multiples coalescences peuvent être nécessaires pour atteindre le rayon auquel les déformations non sphériques se produisent. Une fois que la bulle coalescée présente des oscillations non sphériques, enregistrez les oscillations de la bulle pendant environ 3 à 30 millisecondes et utilisez la figure pour identifier le numéro de mode des oscillations de forme de la bulle. Pour effectuer des mesures de débit de fluide, définissez la fréquence d’images sur 180 kilohertz, la taille de l’image sur 128 x 128 pixels et le temps d’exposition sur 1 microseconde pour enregistrer la dynamique de l’interface à bulles.

Pour enregistrer le mouvement des traceurs de colorant, définissez la taille de l’image sur 1024 par 768 pixels, la fréquence d’images sur 600 hertz et le temps d’exposition sur 1 milliseconde. Ajustez la position de la feuille laser de sorte que les particules lumineuses soient visibles par la caméra et nucléent et piègent une bulle comme démontré. Ajustez davantage la position de la feuille laser afin qu’une ombre devienne visible derrière la bulle et induise une coalescence de bulles jusqu’à ce qu’un mode de forme oscillant de manière stable soit apparent.

Acquérir ensuite plusieurs enregistrements, en alternant entre la dynamique de bulle et le micro streaming. Pour le traitement et l’analyse de l’image, importez le fichier ciné contenant le mouvement des particules capturées dans l’image J et cliquez sur l’image, ajustez, luminosité, contraste et auto. Une image optimisée automatiquement remplacera l’arrière-plan sombre.

Pour afficher le motif obtenu, cliquez sur image, piles et projet Z, puis sélectionnez l’option d’intensité maximale pour la projection d’image. Une image de sortie avec des pixels contenant la valeur maximale sur toutes les images de la pile sera affichée. On voit ici une séquence complète de coalescence de bulles conduisant à des oscillations non sphériques contrôlées par symétrie stable dans le temps qui peuvent être observées.

La phase d’approche de deux bulles oscillantes sphériques se termine lorsque le mince film liquide entre les deux bulles est rompu. Après le moment de coalescence, il reste une seule bulle présentant des oscillations non sphériques de forme complexe, correspondant au régime transitoire d’oscillations suivant l’excitation de tout système dynamique. Après une douzaine à 100 périodes acoustiques, les formes d’oscillation se stabilisent à une oscillation en régime permanent.

Une fois qu’une bulle est piégée et présente des oscillations de forme stables, le mouvement des traceurs fluorescents à proximité de la bulle peut être capturé. Lorsque des oscillations de forme se produisent, un mouvement liquide est produit à proximité de l’interface à bulles. L’enregistrement alternatif de la dynamique de l’interface de bulle à l’échelle de temps acoustique et du mouvement des particules à une échelle de temps inférieure permet de corréler le motif de micro-flux à un numéro de mode de forme donné.

Si la dynamique de l’interface à bulles contient des modes supplémentaires, alors le flux de micro-streaming peut être considérablement modifié en raison des multiples interactions entre les modes qui généreraient des modèles spécifiques. Pour associer en toute sécurité le modèle d’écoulement à une sédation de forme donnée, rappelez-vous qu’il est nécessaire de capturer alternativement la dynamique de la bulle et le mouvement de l’écoulement. Ces résultats peuvent avoir une utilisation pratique dans des applications neuropathiques telles que l’administration de médicaments à médiation transformée.

En effet, les bulles acoustiques sont connues pour exercer des contraintes pures induites par l’écoulement sur les membranes cellulaires qui conduisent à leur perméation.