VITREUX ÉTAT

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Propriétés des verres

L'intérêt fondamental des verres par rapport aux matériaux cristallisés ou aux monocristaux réside dans la possibilité de les obtenir dans de très larges domaines de compositions. Ils peuvent tolérer l'addition d'éléments étrangers dans des proportions telles que non seulement leurs propriétés physiques en sont profondément modifiées, mais aussi que de nouvelles propriétés apparaissent.

On peut ainsi élaborer des produits aux caractéristiques adaptées a priori à une application bien définie, en agissant sur la nature et la concentration des éléments en présence.

En optique

L'intérêt des verres repose, en dehors de leur souplesse de composition, sur leur isotropie et sur leur homogénéité de propriétés dans les trois dimensions de l'espace. De plus, lorsque l'état vitreux peut être obtenu à la suite de refroidissements peu rapides, on réalise des pièces de grande dimension. De façon classique, les verres de silicates sont utilisés pour fabriquer des lentilles, des prismes, des filtres, des objets de décoration. Plus récemment sont apparues des applications nouvelles, en recourant à des compositions spéciales. Des fenêtres transparentes, dans des régions définies du spectre optique, ont été réalisées par exemple dans le domaine du moyen infrarouge avec des verres de sulfures ou de séléniures.

Des verres d'indices de réfraction très divers, ou présentant des dispersions d'indice faible ou grande relativement aux verres crown ou flint classiques, sont toujours recherchés ; on observe des indices et des dispersions élevés dans des verres de fluorosilicates, fluoroborates, fluorophosphates et dans des verres spéciaux de chalcogénures, ces derniers cessant cependant d'être transparents dans une partie ou dans la totalité du spectre visible.

Les verres photochromes changent de couleur par exposition à la lumière ultraviolette du rayonnement solaire ; par exemple, des verres de silicates contenant des ions europium divalent Eu2+ et titane tétravalent Te4+, soumis à l'action de photons d'énergie convenable, sont le siège de la réaction :

et une coloration brune apparaît, due aux ions Ti3+ ; cette coloration disparaît peu à peu, lorsque le verre n'est plus soumis au rayonnement lumineux, par rétablissement de l'état initial.

Des verres photosensibles, contenant des ions Cu+ ou Ag+, permettent l'obtention de photographies : par exposition à la lumière ultraviolette, les ions sont réduits à l'état d'atomes neutres qui précipitent, en constituant des centres de nucléation ; par un chauffage vers 500-600 0C, les cristaux se développent, réalisant ainsi l'équivalent du « développement » de la photographie classique, et conduisant à une image.

Les verres luminescents sont maintenant utilisés couramment dans les « tubes fluorescents » ; dans ce cas, la lumière ultraviolette incidente provoque une transition électronique au sein d'un atome contenu dans le verre, qui retourne à l'état normal avec émission d'un photon situé dans le spectre visible ; les cations des terres rares ont trouvé là de multiples applications.

Les verres lasers sont proches des précédents : dans ce cas, la lumière émise par fluorescence dans une première série de centres vient stimuler une seconde série qui émet à son tour une lumière monochromatique. Les verres lasers contiennent généralement des ions de terres rares, et en particulier le néodyme dans les verres de silicates alcalins et alcalino-terreux ; ces lasers peuvent fournir des intensités lumineuses considérables, mais pendant un temps relativement bref en raison des phénomènes d'échauffement qu'ils subissent ; ils donnent des émissions possédant une largeur d'émission plus grande que les lasers cristallins, pouvant être de 30 nm.

Nous citerons pour terminer la réalisation de fibres optiques, utilisant la réflexion totale du rayonnement lumineux sur la paroi d'une fibre de verre ; dans la pratique, pour éliminer les influences externes qui peuvent conduire à des pertes de lumière, la fibre est gainée à l'aide d'une fine couche d'un second verre, d'indice inférieur à celui de la fibre, et la réflexion totale a lieu à l'interface entre les deux verres. De telles fibres, groupées en faisceau, permettent la transmission d'une image. Des fibres à très faible atténuation, et permettant donc la transmission d'informations à longue distance, ont été réalisées, pour des rayonnements visibles avec de la silice extrêmement pure, et dans le domaine du moyen infrarouge avec des verres de fluorozirconate de baryum.

En électricité

Les utilisations électrique des verres ne sont pas moins importantes que les précédentes. Une conductivité de type électronique est observée dans certains verres d'oxyde à base d'oxyde de vanadium V2O5, ou dans les verres de chalcogénures. Une conductivité de type ionique, qui repose sur la mobilité d'un ion au sein du verre soumis à un champ électrique, est observée dans les verres de silicates contenant des cations alcalins : Li+, Na+, dans les chalcogénures contenant des ions Ag+, dans les fluorures ou les fluorophosphates, où cette fois la conduction est assurée par l'anion F-. Ces verres trouvent des applications en tant qu'électrolytes solides dans des batteries électriques, ou peuvent intervenir sous forme de films minces dans l'affichage électrochrome ou le stockage microscopique de l'énergie. Des effets de commutation, conduisant à la réalisation de « mémoires », ont été mis en évidence dans des verres de chalcogénures contenant par exemple les éléments As, Te, I ou As, Te, Si, Ge, sans cependant que des applications pratiques aient vu le jour.

Les vitrocéramiques

Un troisième grand domaine d'application des verres concerne les vitrocéramiques, dans lesquelles on réalise une cristallisation partielle des verres, à l'aide de traitements thermiques exactement appropriés. C'est ainsi que l'addition de fluorures Na2SiF6 ou Na3A1F3 aux verres usuels, suivie d'une recuisson convenable, est utilisée depuis longtemps pour produire les verres opalins. Les caractéristiques des matériaux obtenus sont très différentes de celles des verres homogènes correspondants : les propriétés mécaniques, la résistance au choc thermique sont fortement améliorées et le caractère isolant électrique est nettement augmenté. De nombreuses applications reposent maintenant sur les vitrocéramiques, dans les domaines des matériaux isolants électriques, les radomes, la vaisselle et les dispositifs devant supporter des chocs thermiques, etc. Ces matériaux sont maintenant entrés dans la vie courante.

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Température et variation de volume

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Verre de silice SiO2

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Verre de silicate

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Verre de fluorure

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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 03 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/etat-vitreux/