{"id":1344,"date":"2011-05-09T00:01:02","date_gmt":"2011-05-08T22:01:02","guid":{"rendered":"http:\/\/sciencetonnante.wordpress.com\/?p=1344"},"modified":"2011-05-09T00:01:02","modified_gmt":"2011-05-08T22:01:02","slug":"le-verre-cet-inconnu","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/2011\/05\/09\/le-verre-cet-inconnu\/","title":{"rendered":"Le verre, cet inconnu"},"content":{"rendered":"

\"\"<\/a>Le verre est un \u00e9trange \u00e9tat de la mati\u00e8re.\u00a0On entend parfois qu\u2019il s\u2019agit d\u2019un liquide extr\u00eamement visqueux, mais il est un peu plus que cela.<\/p>\n

Pour comprendre une partie de son secret, il ne faut pas seulement regarder ses propri\u00e9t\u00e9s physiques, mais aussi la mani\u00e8re dont il est fabriqu\u00e9.<\/p>\n

Les \u00e9tats de la mati\u00e8re<\/h3>\n

\"\"<\/a>Comme on l\u2019apprend \u00e0 l\u2019\u00e9cole, il existe essentiellement trois \u00e9tats de la mati\u00e8re<\/strong>\u00a0: les solides, les liquides et les gaz. La caract\u00e9ristique distinctive des solides est que ce sont des cristaux\u00a0: quand on les regarde \u00e0 l\u2019\u00e9chelle atomique, ils r\u00e9v\u00e8lent une structure ordonn\u00e9e, o\u00f9 les atomes sont dispos\u00e9s en r\u00e9seau cristallin.<\/p>\n

L’image ci-contre montre la structure cristalline du quartz<\/strong> (SiO2). Chaque atome de silicium (en bleu) y est li\u00e9 avec 4 atomes d’oxyg\u00e8ne (en rouge), selon un motif p\u00e9riodique.<\/p>\n

La structure cristalline ordonn\u00e9e des solides contraste avec la situation des liquides et des gaz, qui sont des \u00e9tats d\u00e9sordonn\u00e9s<\/strong>. Au niveau microscopique, les mol\u00e9cules qui les composent sont distribu\u00e9es de mani\u00e8re al\u00e9atoire, et pour cause elles n\u2019arr\u00eatent pas de bouger\u00a0!<\/p>\n

La structure du verre<\/h3>\n

Le verre de nos vitres et de nos bouteilles est un mat\u00e9riau solide, on peut donc penser qu\u2019il poss\u00e8de lui aussi une structure cristalline. Mais si on le regarde \u00e0 l\u2019\u00e9chelle microscopique, \u00e7a n\u2019est pas le cas\u00a0! Les atomes qui le composent sont distribu\u00e9s de mani\u00e8re totalement d\u00e9sordonn\u00e9e<\/strong>, comme dans un liquide. Et pourtant ces atomes sont bien fig\u00e9s et immobiles, comme dans un solide. On dit que le verre est un solide amorphe<\/strong>.<\/p>\n

Vous le savez, on obtient du verre en faisant fondre du sable. Or le sable est essentiellement constitu\u00e9 de quartz, qui comme nous l’avons vu ci-dessus est un solide cristallin.<\/strong> N’est-ce pas contradictoire ?
\n<\/strong><\/p>\n

Comment le verre peut-il \u00eatre amorphe, alors qu’il est obtenu \u00e0 partir de sable qui est cristallin ?<\/strong><\/p>\n

La r\u00e9ponse se trouve dans un ph\u00e9nom\u00e8ne dont j’ai parl\u00e9 il y a peu : la s<\/a>urfusion<\/a>. En chauffant et en refroidissant le quartz qui compose le sable, on peut l’amener \u00e0 rester dans un \u00e9tat liquide sans que la transition vers le cristal ne se fasse.\u00a0Le verre est un liquide en surfusion !<\/strong><\/p>\n

Une composition de verre classique (qui ne comprend pas que du sable) poss\u00e8de une temp\u00e9rature de cristallisation th\u00e9orique autour de 1000\u00b0C. Mais on fait en sorte que jamais cette cristallisation ne d\u00e9marre. Pour comprendre cet \u00e9tat de surfusion (un peu diff\u00e9rent de celui de l’eau), il faut s’int\u00e9resser \u00e0 la viscosit\u00e9 du verre en fusion.<\/p>\n

La viscosit\u00e9 du verre<\/h3>\n

J\u2019ai d\u00e9j\u00e0 parl\u00e9 ici<\/a> de la notion de viscosit\u00e9, dont nous avons tous une id\u00e9e plus ou moins intuitive. La viscosit\u00e9 des liquides d\u00e9pend en g\u00e9n\u00e9ral de la temp\u00e9rature. Pour le\u00a0 verre fondu comme pour beaucoup de liquides, plus sa temp\u00e9rature est \u00e9lev\u00e9e, plus il est fluide.<\/p>\n

\"\"<\/a>La figure ci-contre montre la viscosit\u00e9 d’un verre classique en fonction de sa temp\u00e9rature. Comme vous pouvez le voir, le changement de viscosit\u00e9 est tellement violent qu\u2019il faut la repr\u00e9senter en \u00e9chelle logarithmique<\/strong>.<\/p>\n

A 1500\u00b0C, le verre poss\u00e8de une viscosit\u00e9 proche de celle du miel (10 Pa.s, soit 10\u00a0000 fois la viscosit\u00e9 de l\u2019eau), mais quand on le refroidit, elle augmente tr\u00e8s rapidement. Tellement rapidement qu\u2019\u00e0 une temp\u00e9rature de 500\u00b0C, le verre est environ 10^19 fois plus visqueux que l\u2019eau\u00a0!<\/strong><\/p>\n

La fabrication du verre : la recherche de la surfusion<\/h3>\n

Voyons comment en pratique on atteint l’\u00e9tat de surfusion n\u00e9cessaire \u00e0 l’obtention du verre. On part de sable (et quelques autres ingr\u00e9dients) que l\u2019on chauffe \u00e0 environ 1500\u00b0C. Supposons qu’on refroidisse le m\u00e9lange \u00e0 un taux sensiblement constant, et suivons ce qui se passe au cours du temps .<\/p>\n

Le graphique ci-dessous repr\u00e9sente l’\u00e9volution au cours du temps de la temp\u00e9rature (en bleu), de la viscosit\u00e9 (en rouge), et d’une troisi\u00e8me grandeur\u00a0: la vitesse de cristallisation<\/strong> du m\u00e9lange.
\n<\/strong><\/p>\n

\"\"<\/a>Entre 1500\u00b0C et 1000\u00b0C, le m\u00e9lange se refroidit, sa viscosit\u00e9 augmente, et puisque nous sommes au dessus de la temp\u00e9rature de cristallisation (1000\u00b0C), la vitesse de cristallisation est nulle.<\/p>\n

Quand la temp\u00e9rature atteint 1000\u00b0C, la cristallisation peut en principe commencer<\/strong>, mais d\u00e9marre \u00e0 une vitesse faible. Plus on refroidit notre verre sous les 1000\u00b0C, plus sa vitesse de cristallisation devrait augmenter. Mais assez rapidement l’augmentation de viscosit\u00e9 est telle qu\u2019elle emp\u00eache la cristallisation, et la vitesse de cristallisation rechute vers z\u00e9ro.<\/p>\n

Vers 550\u00b0C, la viscosit\u00e9 est telle que les mol\u00e9cules sont totalement immobiles. Le verre est devenu un solide amorphe et on dit qu\u2019on a pass\u00e9 la temp\u00e9rature de transition vitreuse<\/strong>.<\/p>\n

Dans un v\u00e9ritable proc\u00e9d\u00e9 de fabrication de verre, si on diminue suffisamment vite la temp\u00e9rature du verre, la cristallisation n’a m\u00eame pas le temps de d\u00e9marrer qu’elle est \u00e9touff\u00e9e par la viscosit\u00e9. Voil\u00e0 pourquoi le verre est un liquide en surfusion.<\/p>\n

Il n’y a pas qu’avec le verre classique qu’on peut obtenir un solide amorphe en refroidissant tr\u00e8s vite un liquide en surfusion. On peut avec de tels proc\u00e9d\u00e9s obtenir des verres m\u00e9talliques, et m\u00eame des verres d’eau<\/strong> (c’est \u00e0 dire de l’eau solide amorphe !).<\/p>\n

Du verre au bas des vitres ?
\n<\/em><\/h3>\n

Pour finir, et pour les plus physiciens d’entre vous, attaquons nous \u00e0 cette id\u00e9e que l\u2019on entend parfois quand on parle du verre comme \u00e9tant un liquide tr\u00e8s visqueux\u00a0: la preuve en serait qu\u2019au bas de certains vitrages anciens, on trouve que le verre est plus \u00e9pais, comme s\u2019il avait coul\u00e9.<\/em><\/p>\n

Faisons un peu d\u2019analyse dimensionnelle pour voir si \u00e7a a du sens. La viscosit\u00e9 s\u2019exprime en Pa.s. C\u2019est donc une pression multipli\u00e9e par un temps. Calculons la pression que subit une vitre sous son propre poids, et d\u00e9duisons en un temps caract\u00e9ristique pour l\u2019\u00e9coulement.<\/em><\/p>\n

Supposons un verre de hauteur \\(h\\), de section \\(S\\) et de masse volumique \\(\\rho\\). Le poids de la vitre est donc \\(F=\\rho g h S\\). Puisqu’elle s\u2019applique sur la surface \\(S\\), la pression de la vitre sur elle-m\u00eame est \\(P = F\/S =\\rho g h\\). Pour une vitre de 1 m\u00e8tre de haut avec une masse volumique d’environ 2500 kg\/m3, \u00e7a fait une pression de l’ordre de 10^4 Pascals. <\/em><\/p>\n

Par analyse dimensionnelle, on fabrique un temps \u00e0 partir d’une pression \\(P\\) et d’une viscosit\u00e9 \\(\\eta\\) en faisant \\(\\tau = \\eta \/ P\\). Faisons l’application num\u00e9rique : m\u00eame pour du verre \u00e0 500\u00b0C (viscosit\u00e9 10^16), il faudrait 10^12 secondes pour qu’il ne coule sous l’effet de son propre poids. Ca fait quelques dizaines de milliers d’ann\u00e9es ! Et je n’ai pris que la viscosit\u00e9 \u00e0 500\u00b0C…<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Le verre est un \u00e9trange \u00e9tat de la mati\u00e8re.\u00a0On entend parfois qu\u2019il s\u2019agit d\u2019un liquide extr\u00eamement visqueux, mais il est un peu plus que cela. Pour comprendre une partie de son secret, il ne faut pas seulement regarder ses propri\u00e9t\u00e9s physiques, mais aussi la mani\u00e8re dont il est fabriqu\u00e9. Les \u00e9tats de la mati\u00e8re Comme<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"jetpack_post_was_ever_published":false,"_jetpack_newsletter_access":"","_jetpack_dont_email_post_to_subs":false,"_jetpack_newsletter_tier_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paywalled_content":false,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[6],"tags":[14,25],"class_list":{"0":"post-1344","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","6":"category-physique","7":"tag-etats-de-la-matiere","8":"tag-viscosite"},"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"post_mailing_queue_ids":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1344","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1344"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1344\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1344"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1344"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1344"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}