Verre : Ni solide ni liquide, ce matériau courant mais complexe surprend encore les scientifiques

Professeur de science et d'ingénierie des matériaux, Penn State

Candidat au doctorat en science des matériaux, Penn State

Les auteurs ne travaillent pas, ne consultent pas, ne détiennent pas d’actions ni ne reçoivent de financement d’une entreprise ou d’une organisation qui bénéficierait de cet article, et n’ont divulgué aucune affiliation pertinente au-delà de leur nomination universitaire.

Penn State fournit un financement en tant que partenaire fondateur de The Conversation US.

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Le verre est un matériau aux multiples facettes : il est à la fois ancien et moderne, solide mais délicat, et capable d'adopter presque toutes les formes et couleurs. Ces propriétés du verre expliquent pourquoi les gens l’utilisent pour fabriquer de tout, des écrans de smartphones aux câbles à fibre optique en passant par les flacons contenant des vaccins.

L’humanité utilise le verre d’une manière ou d’une autre depuis des millénaires, et les chercheurs lui trouvent encore aujourd’hui de nouvelles utilisations. Il n’est pas rare d’entendre le fait souvent répété selon lequel le verre est en réalité un liquide et non un solide. Mais la réalité est bien plus intéressante : le verre ne rentre dans aucune de ces catégories et constitue, à bien des égards, un état à part entière de la matière. En tant que scientifiques des matériaux qui étudient le verre, nous essayons constamment d’améliorer notre compréhension de ce matériau unique et de découvrir de nouvelles façons d’utiliser le verre à l’avenir.

La meilleure façon de comprendre le verre est de comprendre comment il est fabriqué.

La première étape de fabrication du verre nécessite de chauffer un mélange de minéraux – souvent du carbonate de sodium, du calcaire et du sable de quartz – jusqu'à ce qu'ils fondent en un liquide à environ 2 700 degrés Fahrenheit (1 480 Celsius). Dans cet état, les minéraux circulent librement dans le liquide et se déplacent de manière désordonnée. Si ce liquide refroidit assez rapidement, au lieu de se solidifier en une structure cristalline organisée comme la plupart des solides, le mélange se solidifie tout en conservant la structure désordonnée. C'est la structure atomiquement désordonnée qui définit le verre.

À court terme, le verre se comporte un peu comme un solide. Mais la structure liquide du verre signifie que, sur une période de temps suffisamment longue, le verre subit un processus appelé relaxation. La relaxation est un processus continu mais extrêmement lent au cours duquel les atomes d'un morceau de verre se réorganisent lentement en une structure plus stable. En un milliard d’années, un morceau de verre typique changera de forme de moins d’un nanomètre, soit environ 1/70 000e du diamètre d’un cheveu humain. En raison de la lenteur du changement, le mythe selon lequel les vieilles fenêtres sont plus épaisses au bas en raison de siècles de gravité tirant sur le verre qui coule lentement n'est pas vrai.

Familièrement, le mot verre fait souvent référence à une substance dure, cassante et transparente composée de sable fondu, de soude et de chaux. Pourtant, il existe de nombreux types de verre qui ne sont pas transparents, et le verre peut être fabriqué à partir de n'importe quelle combinaison d'éléments, à condition que le mélange liquide puisse être refroidi suffisamment rapidement pour éviter la cristallisation.

Les humains utilisent le verre depuis plus de 4 000 ans, certaines des premières utilisations étant des perles de verre décoratives et des pointes de flèches. Les archéologues ont également découvert des traces d'ateliers de verre vieux de 2 000 ans. Un ancien atelier de ce type a été découvert près de Haïfa, dans l'Israël moderne, et remonte à environ 350 de notre ère. Là, les archéologues ont découvert des morceaux de verre brut, des fours de fusion du verre, des récipients en verre utilitaires et des débris de soufflage de verre.

La fabrication moderne du verre a débuté au début du XXe siècle avec le développement de techniques de production de masse de bouteilles en verre et de feuilles de verre plates. Le verre est devenu un élément essentiel de l’industrie de l’électronique et des télécommunications à la fin du XXe siècle et constitue désormais l’épine dorsale d’Internet.

Aujourd’hui, les scientifiques vont bien au-delà de la simple utilisation du verre comme matériau pour une tasse ou un miroir. À la pointe de la recherche sur le verre se trouve la capacité de manipuler sa structure atomique complexe et son processus de relaxation pour obtenir certaines propriétés.

Parce que le verre est atomiquement désordonné et en constante évolution, deux points quelconques sur un morceau de verre sont susceptibles d'avoir des propriétés légèrement différentes, qu'il s'agisse de la résistance, de la couleur, de la conductivité ou autre. En raison de ces différences, deux morceaux de verre similaires fabriqués de la même manière avec les mêmes matériaux peuvent se comporter très différemment.