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Verre
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 « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, 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 (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de fondants, le...) est constitué d?oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) (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. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des êtres vivants (ou ayant...)

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 » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est un...) commune de diatomée d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) 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 sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère est appelé un...), 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 ancien...), la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...) 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 l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) 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 étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de...), ni de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) 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 σύνθεσις sýnthesis, composition) est le processus bioénergétique qui permet aux plantes et...) en laissant passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) la 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 lumière est...). 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 électromagnétique et de ses relations avec la vision.) 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 pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison...) idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la...) pour les contenants (bouteilles, pots (POTS est un sigle anglais qui signifie Plain Old Telephone System que l'on peut traduire en français par le bon vieux téléphone. Dans certains pays on parle de réseau fixe ou de téléphone fixe....) de yaourt, béchers, erlenmeyers, colonne de distillation (La distillation est un procédé de séparation de substances, mélangées sous forme liquide. Elle consiste à porter le mélange à ébullition et à recueillir une fraction légère appelée distillat, et une...), éprouvettes, tubes à essai...). Un des seuls liquides ayant le pouvoir de dissoudre le verre est l?acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) 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 construction : bâtiment et travaux publics (souvent désignés par le sigle BTP). La...) très important dans l'architecture moderne (Le Mouvement moderne ou encore l’Architecture moderne est un courant de l’architecture apparu dans la première moitié du XXe siècle, caractérisé par un retour au décor minimal, aux...) et dans l'industrie automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de...). 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. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques. Le contraire d'un...) 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 plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) (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 Φοβοσ, phóbos = peur) ou lipophile quand il est soluble dans les corps gras, mais insoluble dans l'eau.) (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 incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions 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 civilisation ou de particules de hautes énergies.), le pare-brise (Un pare-brise est une vitre située à l'avant d'un véhicule qui permet de protéger les passagers du vent tout en assurant une bonne visibilité au conducteur.) 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. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode statistique...) 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 chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs...) de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :), la régression linéaire 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 suivants :). Au-dessous figure est une équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer...) 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 expression comme « 45 % » (lue « 45 pour cent ») est en réalité la...) 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 total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le...) des composants de verre. La composante principale de verre, la silice (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 (officiellement Microsoft Office Excel) est un tableur composé de 65 536 lignes, 256 colonnes (jusqu'à la version 2007), dont le maximum de feuilles par classeur est limité par la...) 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 informatiques, fondée par Bill Gates et Paul Allen, dont le revenu annuel a atteint 44,28 milliards de dollars en 2006 et emploie 76 000...) 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 cet usage diffère quelque peu de la définition...)

Verre à haute teneur en plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) 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 (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 des éléments coniques appelés jets et des filaments appelés évents, cônes et filaments sont également en...), 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 (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit...) 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, voire de plusieurs, sans être considérée comme un immeuble collectif.) 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 pour caractériser la forme de la surface de la Terre.) 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 liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la fusion s'effectue à...) 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 faire des objets.) 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 puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et...) 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 un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) 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 permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un...) du verre

Les bouteilles (Sur les anciens navires à voiles, on appelait les bouteilles deux petits compartiments, un de chaque côté du tableau arrière servant de toilettes aux officiers du bord.) de verre usagées peuvent être fondues. La matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...) 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 chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.).

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 légère surélévation de la surface.), 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 l'interprétation des rayonnements lumineux.) 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 particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge...) (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 qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation...) 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 informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud...)" 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 diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) de silicium est lié avec quatre atomes d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est...) ainsi des tétraèdres SiO? ; chaque tétraèdre (Le tétraèdre (du grec tétra : quatre), est un solide composé de quatre triangles, de la famille des pyramides, donc des cônes.) pouvant être considéré comme une "brique" de l'édifice final. Mais tandis que la cristobalite 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 pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une...) des Rayons X (DRX), un halo de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire 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 (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure...) 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 grammatical ».) 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 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 de numéro atomique 15.) P (sous sa forme oxyde P2O5), le germanium Ge (sous sa forme oxyde GeO (Geo était une marque de voiture qui appartenait à General Motors. La marque est apparue en 1989 aux États-Unis et elle fut absorbée par Chevrolet en 1998. À l'origine, Geo avait été formé pour...)2) et l'arsenic (L’arsenic est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole As et de numéro atomique 33, présentant des propriétés intermédiaires entre celles des métaux et des...) 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 dans les trois directions de l'espace.) (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 d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en passant par-dessus cette séparation. Le franchissement supporte le...) Si-O-Si par adjonction d?une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les...) 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 scandium 21Sc, l'yttrium 39Y et les quinze lanthanides.).

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 transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être...).

  • 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 et de la viscosité.
  • Les compensateurs de charge quant à eux compensent une charge négative sur un polyèdre (Traditionnellement, un polyèdre est une forme géométrique à 3 dimensions ayant des faces planes qui se rencontrent le long d'arêtes droites. Le mot polyèdre provient du grec classique...) 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 (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) Al, le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans...) Fe, le titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) 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 chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.) 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

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 lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).). L'ajout d'une faible 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...) de manganèse 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. De même que le manganèse, le sélénium 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 usage.). Le verre est teint en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte plus...) par l'ajout d'une faible concentration de cobalt (0.025 à 0.1%). L'oxyde d'étain et les oxydes d'antimoine et d'arsenic permettent de produire un verre blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu,...) 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 pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à...) 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 causée principalement par la présence d'oxyde de...) 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 élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le molybdène ou...) (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 couleur :) 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 sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au dixième de...), par exemple en le polissant avec du papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente...) 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 latin Argentum — et de numéro atomique 47.) (notamment le nitrate (Les nitrates (autrefois nommés nitre, souvent synonyme de salpêtre) sont les sels de l'acide nitrique. La formule chimique de l’ion nitrate est NO3−.) 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 d'un objet ou d'une partie de l'espace.) spécifique V et de l?enthalpie (L'enthalpie (du préfixe en- et du grec thalpein: chauffer) est une fonction d'état de la thermodynamique, dont la variation permet d'exprimer la quantité de chaleur mise en jeu pendant la...) H lors du passage de l?état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) 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 et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en...), 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 codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.), 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 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 fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...) 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 changement dans le monde.) 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 généralement en mathématiques et dans ses domaines d'applications. Il existe plusieurs définitions équivalentes : un...) 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 (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite au milieu du XIXe siècle par Rudolf Clausius dans le cadre du second principe, d'après les travaux de Carnot[1]. Clausius a montré que le...), 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 matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs ». La plage ne se limite donc pas aux étendues de sable fin ; on trouve...) 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 de l'ENS, si les vitraux des cathédrales, ou les glaces de la Galerie des Glaces au château de Versailles (Le château de Versailles fut la résidence des rois de France Louis XIV, Louis XV et Louis XVI. Résidence royale, ce monument compte parmi les plus remarquables de France et du monde tant par sa beauté que par les...) 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 (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 cations et former des liaisons métalliques ainsi que des...) en fusion sur un tambour de cuivre tournant à grande vitesse (On distingue :). Ces alliages sont utilisés par exemple pour les c?urs 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 hystéresis lorsque la courbe E = f(C) obtenue à la croissance de C ne...) 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 fonction de la direction. Le contraire de l’isotropie est l’anisotropie.), 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 pour l'eau.) et une très bonne tenue à la corrosion.

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 contraintes mécaniques ou qu'on lui fait subir des déformations brutales (c'est-à-dire sous forme de choc), sa fracture...), de finesse et de transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la lumière : ainsi,...) (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 auprès des enfants, même si une grande part de la production s'adresse à toutes sortes de publics.) 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 organisme de recherche scientifique public français (EPST).)
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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