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Manufacturing Shock Interactions for Innovative Nanoscale Processes

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Une modélisation avancée révèle les secrets des écoulements complexes de fluides

En médecine, les ondes de choc offrent un moyen unique et non intrusif de contrôler les processus des fluides, avec des applications telles que la destruction des calculs rénaux et l’administration de médicaments.

Technologies industrielles

L’écoulement des liquides ou des gaz, appelé dynamique des fluides, touche de nombreux aspects de la vie quotidienne. Les corps sont des laboratoires de mécanique des fluides. La mécanique des fluides actionne les moteurs et les turbines, et les phénomènes météorologiques obéissent à ses lois. La mécanique des fluides agit à toutes les échelles, des aérosols microscopiques, porteurs de virus, aux événements cosmologiques tels que les supernovae. Les ondes de choc sont un phénomène particulier de la mécanique des fluides, caractérisé par des changements soudains de température et de pression. Un exemple bien connu est le «bang sonique» des avions volant à des vitesses supersoniques. Les ondes de choc peuvent également être utilisées pour contrôler les processus des fluides. Le projet NANOSHOCK, soutenu par l’UE, a étudié les interactions entre les ondes de choc et les interfaces multi‑matériaux; les gouttelettes de liquide, composées d’air et de liquide, sont des interfaces particulièrement intéressantes, notamment en ce qui concerne leur désintégration induite par les chocs. «La compréhension de ce phénomène est prometteuse pour une nouvelle administration microscopique de médicaments dans des cellules individuelles, les cellules étant temporairement perforées tandis qu’une dose thérapeutique précise d’un composé leur est administrée», explique le chercheur principal Nikolaus Adams, de l’Université technique de Munich, hôte du projet. L’un des principaux résultats de NANOSHOCK a été le développement de l’environnement de simulation numérique ALPACA. «Avec 20 000 lignes de code, ALPACA constitue l’un des environnements de simulation les plus avancés pour les simulations à grande échelle en laboratoire d’écoulements complexes de fluides», explique Stefan Adami, coordinateur du projet. «Nous avons mis au point des méthodes numériques révolutionnaires d’une précision et d’une efficacité sans précédent, ce qui a permis de développer un laboratoire virtuel de physique des fluides.» ALPACA est ouvert et disponible pour la communauté scientifique. Modulaire, il peut être adapté et étendu pour intégrer tout modèle de physique des fluides basé sur les équations de conservation du continuum. Une gamme d’outils de post‑traitement et d’instruments d’analyse des données est également disponible.

Étudier des problèmes physiques réalistes

L’une des principales préoccupations de NANOSHOCK était de mieux comprendre l’interaction entre les ondes de choc et les interfaces de phase. À ces interfaces, les phases liquide et gazeuse d’une même substance (par exemple, l’eau liquide et la vapeur d’eau) ou les fluides «multi‑matériaux» (par exemple, l’huile et l’eau) se rencontrent. L’activité de ces interfaces est essentielle aux processus chimiques, y compris ceux qui présentent un intérêt pour la biomédecine. ALPACA a permis à l’équipe d’étudier de nombreuses dynamiques d’ondes de choc et d’interfaces dans divers scénarios spatiaux et temporels avec des détails très précis. Comme ces processus impliquent des structures à l’échelle du micromètre et à des échelles de temps allant de la micro à la nanoseconde, les expériences ne sont pas pratiques. «Nous avons découvert un mécanisme jusqu’alors inconnu où un choc brise une gélule à coque huileuse stratifiée remplie d’un médicament liquide, lui‑même rempli d’une bulle de gaz. L’onde de choc fait en sorte que le gaz interne délivre un micro‑jet très concentré et protégé du matériau interne, en quantité très précise, à travers un substitut de membrane cellulaire. Nous étudions ce mécanisme de manière plus approfondie, notamment en ce qui concerne l’administration ciblée de médicaments», ajoute Nikolaus Adams. Les travaux ont été rendus possibles par de nouveaux modèles numériques à haute résolution pour la dynamique des gaz et des liquides, et par des représentations des interfaces dites méthodes des surfaces de niveau, utilisant l’informatique parallèle pour des simulations sur des centaines de milliers d’unités de traitement de superordinateurs.

Des applications plus efficaces

L’environnement de simulation ALPACA peut être utilisé pour étudier les phénomènes physiques fondamentaux, optimiser les paramètres de conception pour toute une série d’applications et favoriser la découverte de nouvelles solutions. «Nos modèles peuvent être utilisés comme générateurs de données pour aider à détecter les mécanismes physiques cachés et les relations des phénomènes d’écoulement», explique Nikolaus Adams. Le projet a entrepris des collaborations avec d’autres groupes de recherche, qui se poursuivent. L’une de ces collaborations consiste à fournir des données numériques pour des expériences sur la fabrication de nanoparticules. Dans le cadre d’une autre collaboration, l’équipe codéveloppe des outils avancés pour des prédictions plus précises des écoulements dans les bassins de fusion dans la fabrication additive métallique.

Mots‑clés

NANOSHOCK, administration de médicaments, dynamique des fluides, mécanique des fluides, fluides, liquides, gaz, ondes de choc, gouttelettes, cellules, micromètre, nanoseconde, simulation

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