VITREUX ÉTAT

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La matière, en dehors des états solide, liquide et gazeux, peut exister sous d'autres formes, telles que vitreuses ou mésomorphes, le verre ordinaire en étant un exemple.

La définition de l'état vitreux n'est pas aisée ; elle peut être formulée de différents points de vue, en réalité complémentaires car, pris isolément, ils se révèlent tous insuffisants.

Dans une définition courante, le verre est présenté comme un solide obtenu par figeage d'un liquide, qui ne cristallise pas au cours d'un refroidissement suffisamment rapide. Mais cette description n'est pas convenable pour un petit nombre de matériaux vitreux obtenus par d'autres méthodes que le refroidissement d'un liquide, telles que la condensation d'une phase vapeur sur un support refroidi ou les procédés sol-gel.

Dans une définition structurale, le verre est décrit comme un solide non cristallin, dans lequel chaque atome conserve son environnement caractéristique de l'état cristallin, plus ou moins distordu, tandis que l'arrangement des seconds voisins est très perturbé par rapport à celui du cristal. On peut encore dire que le verre est formé par un assemblage tridimensionnel désordonné de groupements structuraux fondamentaux, semblables à ceux de l'état cristallin. Mais cette description est trop large, car elle englobe des matériaux amorphes qui ne sont pas habituellement classés parmi les verres. Une présentation thermodynamique décrit le verre comme un matériau hors d'équilibre, présentant donc un contenu d'énergie interne supérieur à celui des produits cristallisés correspondants, mais dont le retour à une situation d'équilibre stable, c'est-à-dire la cristallisation, ne peut se faire même après des durées considérables. Dans une dernière définition, de type phénoménologique, qui fait intervenir un facteur cinétique, l'état vitreux sera caractérisé par la présence d'une transition vitreuse, qui est une transformation caractéristique observée au refroidissement, lors du passage d'une phase liquide surfondue à une phase vitreuse, ou, inversement, à l'échauffement du verre au liquide surfondu.

Finalement, avec Jean Zarzycki, nous juxtaposerons deux définitions : « Le verre est un solide non cristallin présentant une transition vitreuse. »

Des matériaux vitreux organiques ont été obtenus. Leurs caractères étant assez particuliers, nous n'envisageons ici que l'état vitreux inorganique.

Procédés d'obtention des verres

Habituellement, lorsqu'un produit fondu est progressivement refroidi, il cristallise à une température bien définie qui est égale à celle de sa fusion. Cependant, si l'on réfrigère suffisamment rapidement certains matériaux, ils peuvent franchir ce point sans cristalliser, et passer à l'état de « liquides surfondus ». En poursuivant l'opération, la viscosité du liquide augmente rapidement, atteignant une valeur élevée, voisine de 1012 Pa . s. La transition qui conduit à l'état vitreux apparaît alors. De ce point de vue, le verre peut être considéré comme un liquide figé. Il possède en effet une structure dépourvue d'ordre à longue distance. Cependant, si, dans les liquides, les molécules ou les assemblages atomiques ont en permanence des déplacements relatifs importants, dans les verres, au contraire, ceux-ci deviennent impossibles et seules les vibrations thermiques autour de positions moyennes fixes se produisent, semblables à celles qui sont observées dans les cristaux.

La vitesse de refroidissement nécessaire pour obtenir l'état vitreux à partir d'un matériau liquide dépend de sa nature chimique. Certains composés purs, tels que B2O3, ou certains mélanges, tels ceux d'oxydes habituellement utilisés dans le verre ordinaire (70 SiO2, 20 Na2O, 10 CaO), aboutissent à l'état vitreux même à la suite de refroidissements relativement lents ; le contact de l'air suffit alors à la transformation de la masse fondue. D'autres matériaux ne peuvent être obtenus à l'état vitreux qu'à la suite de réfrigérations très rapides, appelées trempes, de telle sorte que la cinétique du refroidissement puisse l'emporter sur celle, même très rapide, de la cristallisation. Dans certains cas, il est nécessaire de recourir à des vitesses extrêmement élevées, de l'ordre de 106 0C par seconde, pour atteindre l'état vitreux : c'est le cas en particulier des [...]

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Écrit par :

  • : professeur à la faculté de pharmacie de Paris, université René-Descartes, correspondant de l'Institut, membre de l'Académie de médecine

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Pour citer l’article

Jean FLAHAUT, « VITREUX ÉTAT », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 11 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/etat-vitreux/