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Posté par Adrien le Mercredi 18/04/2012 à 00:00
Première visualisation de la transformation du sable en verre
Déjà connu des anciens Égyptiens, le verre est l'un des matériaux les plus anciens fabriqués par l'homme. Pourtant, sa formation à partir de poudres granulaires chauffées à plus de 1000°C comporte encore des zones d'ombre. Pour la première fois, une équipe pilotée par le laboratoire Surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) du verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué...) et interfaces (CNRS/Saint-Gobain) (1), est parvenue à visualiser la formation de ce matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel et de l'intérieur même de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents...) grâce à la tomographie X, technique d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par...) 3-D. Ces expériences, réalisées à l'ESRF (European Synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) Radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une...) Facility), permettent de mieux comprendre comment les différentes matières premières réagissent entre elles pour se transformer en verre. L'une des motivations de ces travaux, publiés sur le site de The Journal of the American Ceramic Society, est d'obtenir du verre de bonne qualité à des températures inférieures à celles utilisées actuellement par l'industrie.

Les chercheurs ont étudié un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée...) proche de celui utilisé pour fabriquer le verre à vitres, composé de deux tiers de sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites particules provenant de la désagrégation d'autres roches dont la dimension est comprise entre 0,063 et 2 mm.) de silice, et d'un tiers de carbonates de sodium et de calcium. Dans les fours industriels, ce mélange est porté à 1500°C et doit rester plusieurs jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit...) dans le four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les...) pour supprimer les bulles ou les défauts cristallins. Le processus demande donc beaucoup d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), et l'un des enjeux industriels est d'obtenir du verre de bonne qualité à des températures moins élevées. Mais pour cela, il est nécessaire de comprendre les différentes étapes de la transformation des matières premières, ainsi que le couplage entre les réactions chimiques et la microstructure du mélange initial.


Réactions entre un grain de carbonate de sodium (rouge) et deux grains de sable de silice (bleu et jaune), observées à différentes températures sous deux angles différents. Ces réactions produisent des silicates de sodium qui sont les précurseurs du verre. Il faut noter les mouvements du grain de carbonate de sodium, qui s'accroche successivement à un de ces voisins puis à l'autre: ces mouvements favorisent l'avancée des réactions. La taille des grains de sable est d'environ 100 microns.
© The American Ceramic Society

Pour ce faire, les chercheurs ont observé, pour la première fois, la réaction en train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de plusieurs voitures (pour transporter des personnes) et/ou de plusieurs wagons (pour transporter des marchandises), et peut être...) de se produire grâce à la tomographie X. La puissante ligne de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) ID15a du synchrotron européen situé à Grenoble, a permis d'obtenir in situ une image en 3D toutes les quinze secondes de la réaction en cours, et ceci avec une résolution spatiale de 1,6 microns. Ainsi, les chercheurs ont pu observer les contacts qui s'opèrent entre les éléments présents, et la transformation de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) granulaires en verre fondu.

Ces images uniques révèlent l'importance des contacts entre grains d'espèces différentes. Ce sont eux qui déterminent si les réactions menant à la production du verre liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) se produisent ou pas. Par exemple, selon l'absence ou la présence de tels contacts, le carbonate de calcium peut soit être incorporé à un liquide très réactif, soit produire des défauts cristallins. Les chercheurs ont aussi été surpris de la haute réactivité du carbonate de sodium à l'état solide: sa grande mobilité avant la fonte des matériaux augmente le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de contacts avec les autres grains, ce qui favorise les réactions.

Les chercheurs veulent à présent réaliser de nouvelles expériences en faisant varier la taille des grains ou la montée en température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...). À long terme, ces travaux fondamentaux pourraient donner des clés pour réduire la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection...) de défauts produits au début de la formation du verre, et trouver ainsi des procédés de fabrication plus rapides et moins gourmands en énergie. En outre, ils espèrent développer les méthodes d'imagerie et de traitement des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) pour permettre aux chercheurs et aux industriels d'imager la transformation d'autres mélanges granulaires réactifs intervenant dans l'élaboration de verres et matériaux différents.

Voir la vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de...) de la transformation des grains de sable en verre ( © E.Gouillart):
http://www.youtube.com/watch?v=pPyG_fEee_ohttp://www.youtube.com/watch?v=pPyG_fEee_o

Notes:

(1) En collaboration avec l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute...) de Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) en Astrophysique (L’astrophysique est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers (étoiles, planètes, galaxies, milieu interstellaire par exemple),...) et Planétologie (La planétologie est la science de l'étude des planètes. La discipline recouvre de nombreuses branches de la science ; son domaine d'étude s'étend des grains microscopiques...) (IRAP - CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier), le laboratoire Sciences et Ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des...), des MAtériaux et Procédés (SIMaP, CNRS/Institut polytechnique de Grenoble Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) Joseph Fourier, Grenoble) et l'INRIA Saclay (Parietal).


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Source: CNRS