Verre - Définition et Explications

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Une bouteille de verre coloré

Dans le langage courant, le mot verre sert à désigner un matériau dur, fragile (cassant) et transparent.

Dans le langage scientifique, le mot verre désigne un matériau amorphe (c'est-à-dire non cristallin) présentant le phénomène de transition vitreuse. L’état physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) résultant est appelé état vitreux. Le plus souvent, le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...) est constitué d’oxyde de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) (silice SiO2) et de fondants.

Histoire

Le verre est connu depuis le IIIe millénaire av. J.-C. au Moyen-Orient, en Égypte et en Algérie.

Biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....)

Cyclotella meneghiniana est une petite espèce commune de diatomée d'eau douce
Cyclotella meneghiniana est une petite espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type »...) commune de diatomée d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) douce

L'espèce vivante la plus grosse productrice de verre n'est pas l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo...), mais la famille des diatomées. En effet, ces algues unicellulaires sont protégées par une coque de verre aux formes surprenantes et délicates. Bien qu'on ignore encore le détail de la synthèse à partir des silicates présents dans l'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.), il s'agit bien de verre. Constituant du plancton (Homère désignait les animaux errant à la surface des flots par plankton, du grec...), la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) de ce verre est considérable et bien supérieure à la production humaine.

Cette fabrication a lieu dans des conditions physiques liées à la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) douce, c’est-à-dire qu’elle ne nécessite pas de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...), ni de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) élevées.

L'intérêt majeur du verre pour la diatomée est de ne pas faire obstacle à la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et...) en laissant passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...). Il est synthétisé très rapidement au moment de la méïose.

Applications

Le verre est utilisé essentiellement en optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) pour ses propriétés réfringentes (lentilles, verres de lunettes).

Il est également utilisé en chimie et dans l'industrie agroalimentaire : il réagit très peu avec la plupart des composés utilisés dans ces domaines, c'est donc un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau....) pour les contenants (bouteilles, pots (POTS est un sigle anglais qui signifie Plain Old Telephone System que l'on peut traduire en...) de yaourt, béchers, erlenmeyers, colonne de distillation (La distillation est un procédé de séparation de mélange de substances liquides...), éprouvettes, tubes à essai...). Un des seuls liquides ayant le pouvoir de dissoudre le verre est l’acide fluorhydrique (HF).

Le verre est le matériau dans lequel sont confinés les déchets nucléaires de haute activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) (HAVL) par le procédé de vitrification. En effet sa structure désordonnée permet d'absorber une partie des radiations.

Le verre est aussi un matériau de construction (Les matériaux de construction sont des matériaux utilisés dans les secteurs de la...) très important dans l'architecture moderne (Le Mouvement moderne ou encore l’Architecture moderne est un courant de l’architecture...) et dans l'industrie automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...). Il est notamment présent sous forme de laine de verre, isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....) léger, imputrescible et ininflammable.

Les utilisations artistiques du verre sont innombrables depuis les origines. Elles ont accompagné de nombreuses innovations techniques (pâte de verre, fusing, thermo-formage, etc.).

Dans de nombreuses applications, le verre est actuellement remplacé par des polymères (plastiques).

Industrie

Pour la fabrication du verre plat (verre à vitre, par exemple), voir Industrie du verre.

Pour la fabrication du verre étiré (produit semi fini permettant de réaliser des ampoules, des flacons ou de la verrerie de laboratoire), voir Verre étiré.

Au niveau industriel, le verre subit souvent des traitements de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) (le plus souvent des dépôts) afin que le matériau final soit plus dur, antireflet (application : verres de lunettes) ou hydrophobe (Un composé est dit hydrophobe (du grec υδρο, hydro = eau, et...) (application : pare-brises).

Des traitements thermiques permettent d'améliorer la résistance des pièces : les vitres latérales et arrières des automobiles comme certaines pièces d'ameublement sont trempées par un refroidissement rapide et contrôlé, le plus souvent à l'aide d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...).

Les pare-brises des automobiles sont en verre feuilleté (couches verre-plastique-verre, aussi appelé "verre feuilleté"). Ainsi, lors d'un choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de...), le pare-brise (Un pare-brise est une vitre située à l'avant d'un véhicule qui permet de protéger les passagers...) se casse, mais reste en place. Les passagers risquent moins d'être blessés par des bris.

Calcul de propriétés

Les propriétés de verre peuvent être calculées par l'analyse statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) des bases de données de verre, par exemple SciGlass et Interglad. Si la propriété de verre désirée n'est pas liée à la cristallisation (par exemple, la température de liquidus) ou à la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...) de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...), la régression linéaire (En statistiques, étant donné un échantillon aléatoire un modèle de...) peut être appliquée en utilisant des fonctions polynômes communes jusqu'au troisième degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...). Au-dessous figure est une équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) d'exemple du deuxième degré. Les C-valeurs sont les concentrations composantes de verre comme Na2O ou CaO en pourcentage (Un pourcentage est une façon d'exprimer une proportion ou une fraction dans un ensemble. Une...) ou d'autres fractions, les b-valeurs sont des coefficients, et n est le chiffre (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) des composants de verre. La composante principale de verre, la silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la...) (SiO2), est exclue dans l'équation ci-dessous en raison de l'au-dessus-paramétrisation, due à la contrainte que tous les composants résument à 100%. Beaucoup de termes dans l'équation ci-dessous peuvent être négligées au moyen de l'analyse de corrélation et de signification. D'autres détails et exemples sont disponibles sur le site Glassproperties.com.

Propriete du verre = b_0 + \sum_{i = 1}^n \left(b_i C_i + \sum_{k = i}^n b_{ik} C_i C_k \right)

Souvent il est exigé d’optimiser plusieurs propriétés de verre simultanément, y compris les coûts de production. Ceci peut être exécuté utilisant le Solveur-outil dans Microsoft Excel (Microsoft Excel, dont le nom officiel actuel est Microsoft Office Excel, est un tableur de la suite...) comme suit:

  1. lister des propriétés désirées;
  2. entrer des modèles pour le calcul fiable des propriétés basées sur la composition de verre, y compris une formule pour estimer les coûts de production;
  3. calculer les places des différences (erreurs) entre les propriétés désirées et calculées;
  4. réduire la somme d'erreurs carrées en utilisant l'option de Solveur dans Microsoft (Microsoft Corporation (NASDAQ : MSFT) est une multinationale américaine de solutions...) Excel, avec les composants de verre comme variables.

Il est possible de peser les propriétés désirées différemment. Des informations de base sur le principe peuvent être trouvées dans l'article: N. T. Huff, A. D. Call: "Computerized Prediction of Glass Compositions from Properties (Prévision automatisée de compositions de verre des propriétés)"; J. Am. Ceram. Soc., vol. 56, 1973, p 55-57.

Techniques artisanales

La verrerie constitue également une activité artisanale.

  • travail du verre à la flamme: les verriers travaillent à partir de tubes et de baguettes de verre étiré qu'ils ramollissent à l'aide de la flamme d'un chalumeau pour le transformer par le souffle ou par différents outils.En France, le travail du verre soufflé à la flamme pour la réalisation d'objets décoratifs, utilitaires ou de pièces uniques n'est plus pratiqué que par une dizaine d'artisans tels que Dominique, Ludovic et Nicolas Guittet, Jean Pierre Baquère, Alain Villechange, Pascal Philibert (Meilleur ouvrier de France)
  • Verre soufflé

Les souffleurs de verre font chauffer une boule de verre au bout d'une canne (tube métallique creux), et soufflent dans cette canne pour faire gonfler le verre et réaliser le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) intérieur. Puis, ils étirent, aplatissent, percent cette boule pour lui donner sa forme finale. Une fois durci, certains le dépolissent pour réaliser des motifs.

  • Cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...)

Verre à haute teneur en plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...) qui lui donne un éclat plus intense et se travaille similairement au verre.

  • Pâte de verre

Le moule de la pièce à réaliser se fabrique dans un matériau réfractaire (Matériau réfractaire est un terme technique signalant une résistance à une...) (à base de kaolin par ex.) selon diverses techniques dont la cire perdue (Procédé de moulage à partir d'une sculpture originale en cire à laquelle on soude par la pointe...), par exemple. Après cuisson, selon des paliers de chauffe destinés à éviter les fissures, le moule est refroidi et garni de poudres ou de granulés de verres colorés diversement selon le décor recherché. Une nouvelle cuisson à lieu et, après refroidissement, le moule est détruit délicatement par un moyen chimique ou mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) pour dégager la pièce dont la forme et les couleurs auront été parfaitement contrôlées. Cette technique attribuée aux Égyptiens, a été réinventée presque simultanément par Henry Cros, François Décorchemont et Georges Desprets dans la deuxième partie du XIXe siècle. Amalric Walter, Gabriel Argy-Rousseau s'y sont illustrés. Aujourd'hui, une vingtaine d'artistes dans le monde (Le mot monde peut désigner :), plus ou moins alchimistes et jaloux de leur savoir faire, s'y adonnent encore. On compte parmi eux les frères Antoine et Étienne Leperlier (petits fils de Décorchemont), Yan Zoritchak, Bernard Dejonghe, Olivier Juteau, Matei Negreanu, Jacques Lubtchansky, Keith Brokelhurst, Diana Hobson, la maison (Une maison est un bâtiment de taille moyenne destiné à l'habitation d'une famille,...) Daum, Lila Farget, etc.

  • Thermoformage

Cette technique consiste à poser à froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) une (ou plusieurs) feuilles de verre, éventuellement colorées, sur un réfractaire dont elle épousera le relief (Le relief est la différence de hauteur entre deux points. Néanmoins, ce mot est souvent employé...) à la cuisson.

  • Fritte

Composition de verre, pouvant être colorée (à l'aide d'oxydes métalliques), portée à fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) et trempée dans un bain d'eau froide afin de la réduire en granulés servant à l'élaboration d'émaux ou de " balottes " (barres) colorées, matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) de base des verriers.

  • Cueiller

Action de prélever une masse de verre dans le four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage...) à l'aide d'une canne ou d'un pontil.

  • Pontil

Tube métallique plein, le pontil permet une mise en forme au " marbre " ou à l'aide de divers outils. Il sert aussi à la séparation de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) de la canne afin de percer et travailler le col, à rapporter des éléments de décor, des anses, un pied.

Recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui...) du verre

Les bouteilles (Sur les anciens navires à voiles, on appelait les bouteilles deux petits compartiments, un de...) de verre usagées peuvent être fondues. La matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) ainsi récupérée permet de fabriquer de nouvelles bouteilles. Le verre peut se recycler indéfiniment sans perdre ses qualités.

Le verre peut également être produit à partir de calcin (verre broyé) de récupération. La fabrication du verre à partir de calcin de récupération économise des matières premières et de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...).

Avant d'être refondu, le verre subit différents traitements : broyage, lavage, élimination des colles (Colles (pluriel collis) est un mot d'origine latine désignant une petite colline ou une...), étiquettes, capsules, séparation du verre et des métaux et élimination des rebuts (porcelaine, cailloux...).

En France, le verre est récupéré pour être recyclé. L'Allemagne a choisi un autre système de réutilisation : la consigne. Dans ce système les bouteilles sont récupérées entières, lavées puis réutilisées.

Physico-chimie

Cette partie aborde le verre et ses caractéristiques d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) physico-chimique. Dans cette partie, nous limiterons notre étude à des verres d'oxydes. Cependant, il existe d'autres grands types de verres, en particulier, les verres métalliques (composés uniquement d'éléments métalliques) et les verres de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) (composés cristallisés caractérisés par une absence d'ordre magnétique à grande distance, d'où leur nom).

Structure

Diffractogramme de rayons X d'un mélange de 2 composés : l'un vitreux et l'autre cristallin
Diffractogramme de rayons X d'un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) de 2 composés : l'un vitreux et l'autre cristallin

Le verre est un matériau amorphe, c'est-à-dire non cristallin. De ce fait, il présente un désordre structural important. Sa structure microscopique est telle qu'il n'existe aucun ordre à grande distance dans un verre. Un verre peut même être vu comme un "réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...)" tridimensionnel, semblable à celui d'un cristal, mais dans lequel seul l'ordre à courte distance est conservé.

Comparons, par exemple, la structure de la silice (SiO?) cristalline (sous sa forme cristobalite) et celle de la silice vitreuse.

Dans les deux cas, chaque atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de silicium est lié avec quatre atomes d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...), formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) ainsi des tétraèdres SiO? ; chaque tétraèdre (Le tétraèdre (du grec tétra : quatre), est un solide composé de quatre triangles, de la...) pouvant être considéré comme une "brique" de l'édifice final. Mais tandis que la cristobalite (La cristobalite est un minéral, composé de dioxyde de silicium de formule Si O2 avec des...) peut être défini comme un empilement régulier de ces briques SiO?, la silice vitreuse peut être vue comme un empilement anarchique des ces mêmes briques SiO?.

En raison de sa structure amorphe, les verres produisent, en diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...) des Rayons X (DRX), un halo de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...), contrairement aux cristaux qui donnent des pics étroits et intenses.

Principaux composants

En raison de sa structure amorphe, le verre est soumis à très peu de contraintes stoechiométriques. De ce fait, un verre peut inclure en son sein une très grande variété d'éléments et présenter des compositions très complexes.

Dans un verre d'oxydes, ces différents éléments sont sous une forme cationique, afin de former des oxydes avec l'anion oxygène O2-.

Les cations intervenant dans la composition de verres peuvent être classés en trois catégories selon le rôle structural qu’ils jouent lors de la vitrification (formation du verre) : les formateurs de réseau, les non-formateurs de réseau (ou modificateurs de réseau) et les intermédiaires. Les critères structuraux de cette classification prennent en compte le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de coordination (nombre d'atomes d'oxygène auquel est lié le cation) et les forces de liaison.

Formateurs de réseau

Les formateurs de réseau sont des éléments qui peuvent à eux seuls former un verre. Les éléments formateurs les plus courants sont le silicium Si (sous sa forme oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) SiO2), le bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) B (sous sa forme oxyde B2O3), le phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et...) P (sous sa forme oxyde P2O5), le germanium (Le germanium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Ge...) Ge (sous sa forme oxyde GeO (Geo était une marque de voiture qui appartenait à General Motors. La marque est apparue en 1989...)2) et l'arsenic (L’arsenic est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole...) As (sous sa forme oxyde As2O3).

Ce sont des éléments métalliques de valence assez élevée (généralement 3 ou 4, parfois 5), qui forment des liaisons mi-covalentes mi-ioniques avec les atomes d’oxygène. Ils donnent des polyèdres de faible coordinence (La coordinence ou nombre de coordination d'un atome est le nombre d'atomes voisins les plus proches...) (3 ou 4), comme SiO4, BO4 ou BO3. Ces polyèdres sont liés par leurs sommets et forment le réseau vitreux.

Modificateurs de réseau

Rupture d’un pont Si-O-Si par adjonction d’une molécule de modificateur Na2O
Rupture d’un pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours...) Si-O-Si par adjonction d’une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) de modificateur Na2O

Les modificateurs de réseau (ou non-formateurs) ne peuvent pas former de verre à eux seuls. Ce sont essentiellement les alcalins, les alcalino-terreux et dans une moindre mesure certains éléments de transition et les terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le...).

Ils sont habituellement plus volumineux (rayon ionique plus important) que les formateurs de réseau, faiblement chargés et donnent des polyèdres de grande coordinence. Leurs liaisons avec les atomes d’oxygène sont plus ioniques que celles établies par les formateurs.

Ils peuvent avoir deux rôles structuraux bien distincts, soit modificateurs de réseau vrais, soit compensateurs de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...).

  • Les modificateurs de réseau vrais cassent les liaisons entre les polyèdres du réseau vitreux provoquant une dépolymérisation de ce dernier. Ils transforment alors les oxygènes pontants, qui lient deux éléments formateurs de réseau, en oxygènes non-pontants, liés à un seul formateur (Voir :) de réseau. Ceci se traduit à l’échelle macroscopique par une diminution du point de fusion (Le point de fusion' ou la température de fusion d'un corps représente la température...) et de la viscosité.
  • Les compensateurs de charge quant à eux compensent une charge négative sur un polyèdre (Un polyèdre est une forme géométrique à trois dimensions ayant des faces planes...) formateur de réseau, par exemple BO4-, lui permettant d’être stable dans cette configuration.

Intermédiaires

Les éléments intermédiaires ont différents comportements : certains de ces éléments sont soit formateurs, soit modificateurs selon la composition du verre tandis que d’autres n’auront ni l’une ni l’autre des ces fonctions mais un rôle intermédiaire.

Les principaux éléments intermédiaires dans les verres d'oxydes sont l’aluminium Al, le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...) Fe, le titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro...) Ti, le nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) Ni et le zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément...) Zn.

Centres colorés

Un verre de teinte bleue peut être obtenue avec un ajout de cobalt
Un verre de teinte bleue peut être obtenue avec un ajout de cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de...)

Des métaux et des oxydes métalliques peuvent être ajoutés lors du processus de fabrication du verre pour influer sur sa couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...). L'ajout d'une faible quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de manganèse (Le manganèse est un élément chimique, de symbole Mn et de numéro atomique 25.) permet d'élimer la teinte verte produite par le fer. À des concentrations plus élevées, il permet l'obtention d'une couleur proche de celle de l'améthyste (L’améthyste est une variété de quartz violet (dioxyde de silicium), diaphane...). De même que le manganèse, le sélénium (Le sélénium est un élément chimique, de la famille des chalcogènes, de...) utilisé en faible quantité permet de décolorer le verre. Une quantité plus importante produit une teinte rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...). Le verre est teint en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...) par l'ajout d'une faible concentration de cobalt (0.025 à 0.1%). L'oxyde d'étain et les oxydes d'antimoine (L'antimoine est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Sb...) et d'arsenic permettent de produire un verre blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir...) opaque. Ce procédé a été utilisé pour la première fois à Venise pour obtenir une imitation de porcelaine. L'ajout de 2 à 3% d'oxyde de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...) produit une couleur turquoise. L'ajout de cuivre métallique pur conduit à un verre rouge très sombre, opaque, parfois utilisé comme substitut au rubis (Le rubis est la variété rouge de la famille minérale corindon. Sa couleur est...) doré. Suivant la concentration utilisée, le nickel permet de produire des verres bleus, violets ou même noirs. L'ajout de titane conduit à un verre jaune-brun. L'or métallique ajouté à des concentrations très faibles (voisines de 0.001%) permet d'obtenir un verre de couleur rubis, tandis que des concentrations plus faibles encore conduisent à un verre de rouge moins intense, souvent présenté comme "groseille". De l'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un...) (0.1 à 2%) peut être ajouté pour donner au verre une teinte jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même...) ou verte fluorescente. Le verre à l'uranium n'est pas assez radioactif pour être dangereux. En revanche, s'il est broyé pour former une poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent...), par exemple en le polissant avec du papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres...) de verre, la poudre peut être cancérigène par inhalation. Les composés à base d'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du...) (notamment le nitrate (Les nitrates (autrefois nommés nitre, souvent synonyme de salpêtre) sont les sels de...) d'argent) permettent d'obtenir des teintes dans une gamme allant du rouge orangé au jaune. La couleur obtenue par l'ajout de ces différents additifs dépend de manière significative de la façon dont le verre a été chauffé et refroidi au cours du processus de fabrication.

Transition vitreuse

Variations thermiques du volume spécifique V et de l’enthalpie H lors du passage de l’état liquide à l’état solide (vitreux ou cristallin)
Variations thermiques du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) spécifique V et de l’enthalpie H lors du passage de l’état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) à l’état solide (vitreux ou cristallin)

D’un point de vue thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...), le verre est obtenu à partir d’une phase liquide surfondue solidifiée au point de transition vitreuse, Tg.

Pour une composition donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...), on s'intéresse à la variation d'une grandeur thermodynamique comme le volume occupé par cette phase (en maintenant la pression constante) ou une des fonctions thermodynamiques énergétiques molaires, comme l'enthalpie (L'enthalpie (du préfixe en- et du grec thalpein: chauffer) est une fonction d'état de la...) H, par exemple (on aurait aussi pu choisir l'énergie interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) U).

Intéressons-nous au refroidissement d'un liquide. A priori, pour des températures inférieures à la température de fusion Tf (Tf dépend de la pression), l'état le plus stable thermodynamiquement correspond à l'état cristallisé (enthalpie la plus faible possible). À Tf, on observe alors une variation de H ainsi qu'un changement de pente de H (cette pente est beaucoup plus faible pour un solide que pour un liquide).

Mais si, lors du refroidissement du liquide, la viscosité est trop importante ou le refroidissement très rapide, la cristallisation n'a pas le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de se produire et un liquide surfondu est alors obtenu. Aucune discontinuité de H n'est alors observé à Tf et sa pente reste inchangée. En poursuivant le refroidissement, la viscosité du liquide augmente de façon exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus...) et le liquide surfondu devient quasiment solide. Lorsqu'elle atteint 1013 poises, la rigidité empêche les mouvements microscopiques locaux et on observe un changement de pente de l'enthalpie (la pente devient la même que pour celle du composé cristallisé). La température à laquelle se produit ce changement s'appelle température de transition vitreuse, Tg. Pour une température inférieure à Tg, le matériau est un solide avec le désordre structural d’un liquide : c'est un verre. Le désordre, et donc l’entropie, sont plus élevés dans un verre que dans un cristal.

Le passage continu de l’état liquide à l’état vitreux se fait dans une plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de...) de température délimitée par la température de fusion (Tf) et la température de transition vitreuse (Tg) et appelée zone de transition vitreuse. En dessous de Tg, le temps de relaxation nécessaire pour atteindre l’équilibre de configuration (état cristallisé) est alors supérieur au temps d’expérience. Ainsi, le verre est un matériau métastable, évoluant inévitablement vers l’état cristallin mais pouvant persister à l’état vitreux sur des périodes de temps très longues. C’est le cas par exemple de l’obsidienne, verre volcanique naturel, dont on peut trouver des spécimens vieux de plusieurs millions d'années.

Malgré sa forte viscosité, le verre conserve certaines propriétés des liquides dont notamment le caractère désordonné, mais contrairement aux liquides usuels son temps de relaxation est considérable et le verre ne peut pas "couler" aux échelles de temps humaines[1]. Ainsi d'après Daniel Bonn, du Laboratoire de physique statistique (La physique statistique a pour but d'expliquer le comportement et l'évolution de systèmes...) de l'ENS, si les vitraux des cathédrales, ou les glaces de la Galerie des Glaces (La galerie des Glaces ou Grande Galerie du château de Versailles, est une galerie de grand...) au château de Versailles (Le château de Versailles fut la résidence des rois de France Louis XIV, Louis XV et Louis...) sont plus épaisses à la base qu'à leur sommet, c'est du fait du procédé de fabrication utilisé[2].

Résistance chimique et Altération du verre

Le verre industriel a de bonnes compatibilités avec la plupart des composés chimiques, par contre l'acide fluorhydrique (L'acide fluorhydrique est une solution aqueuse très corrosive et toxique de fluorure...) (HF) dégrade facilement le verre.

Les verres ne sont pas insensibles à l'action de l'eau ou de l'air. Bien sûr, cela n'empêche pas l'existence de verres ayant plusieurs millions d'années et non altérés car la sensibilité des verres à l'altération dépend de leurs composition chimique.

D'autres matériaux

Par extrapolation le nom de verre est employé pour d'autres matériaux amorphes. Certains alliages métalliques peuvent être solidifiés avec une structure amorphe grâce à un refroidissement très rapide, on les appelle alors des verres métalliques. On peut par exemple projeter le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) en fusion sur un tambour de cuivre tournant à grande vitesse (On distingue :). Ces alliages sont utilisés par exemple pour les cœurs de transformateurs. En effet leur cycle d'hystérésis (Soit une grandeur cause notée C produisant une grandeur effet notée E. On dit qu'il y a...) est très faible, ce qui réduit considérablement les pertes par hystérésis.

On peut obtenir des dépôts d'alliages métalliques (Al-Cu-Fe) amorphe par dépôt sous vide (PVD).

Certains aciers peuvent être solidifiés sous forme amorphe. Du fait de leur isotropie (L'isotropie caractérise l’invariance des propriétés physiques d’un milieu en...), ils ont des propriétés non-magnétiques intéressantes notamment pour la construction de sous-marins furtifs. Ils ont également une grande dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et...) et une très bonne tenue à la corrosion (La corrosion désigne l'altération d'un matériau par réaction chimique avec un...).

Symbolique

Le verre est un des premiers matériaux mis au point, rêvé par l'homme. Il est le symbole de fragilité (La fragilité est l'état d'une substance qui se fracture lorsqu'on lui impose des...), de finesse et de transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la...) (par exemple, la pantoufle de verre de Cendrillon dans le dessin animé (Le dessin animé est une technique de film d'animation. Il est surtout connu pour son succès...) de Walt Disney ; alors que Cendrillon porte des pantoufles de vair dans le conte original de Grimm mais pas de Perrault).

Notes

  1. voir par exemple Edgar Dutra Zanotto, Do cathedral glasses flow?, American Journal of Physics, May 1998, Volume 66, Issue 5, pp. 392-395
  2. Article sur le verre dans le journal du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...)
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