Lumière et verre (partie I)

Nous sommes en 2015 encore pour quelques jours et je ne voudrais pas finir l’année sans parler, de près ou de loin de lumière. En cette période de fêtes et d’illuminations, le sujet est d’actualité d’autant plus en 2015, puisque c’était l’année internationale de la lumière -proclamée par les Nations Unies notamment (mais pas uniquement) pour rendre hommage à Einstein dont la théorie de la Relativité Générale* a fêté ses 100 ans cette année-.

* La Relativité Générale explique l’effet des champs gravitationnels sur l’espace-temps. Einstein a aussi montré que  la lumière est courbée par des champs gravitationnels puissants.

Ce sujet sera présenté en deux temps avec comme point de départ pour chacun d’eux : la synthèse du verre, un matériau qui sublime la lumière, et la transporte (application dans les fibres optiques).

Fibreoptic

Des fibres de verre transportent la lumière

Pas facile de faire du verre… Enfin pour nous, pauvres humains. Non, non, les ingrédients, ça va encore mais cela demande une énergie considérable… Tout simplement parce qu’il faut casser des liaisons chimiques super fortes pour en reformer d’autres. Dans la nature, certains organismes y arrivent pourtant très bien.

J’ai eu l’occasion d’en fabriquer moi-même à deux reprises dans ma vie.
Une première fois en séance de travaux pratiques en école d’ingénieur : jeune et innocente que j’étais, je fus complètement émerveillée (et pas peu fière) de voir sortir de mon creuset (après intense travail de bibliographie, subtil dosage et savant mélange), un superbe fil de verre (bien que tout sombre : du verre, on a souvent l’impression que cela ne peut être que blanc et transparent).
La deuxième fois, c’était un peu plus tard lorsque je travaillais en collaboration avec l’industrie de production électrique. J’étais en charge de rechercher le moyen de faciliter la fusion des cendres issues de la combustion du charbon -je sais, c’est pas terrible pour la planète-. Le verre était en fait un sous-produit de la fusion : en effet, la combustion à très haute température qui génère des cendres qu’on récupère en partie sous une forme « fondue ».

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Coulée de cendres fondues

Les cendres constituent une réorganisation (physique et chimique) des différents minéraux du grain de charbon initial et lorsque la température est très élevée, la fusion (qui peut être partielle) des minéraux est obtenue (nous en avions parlé ici). Dans certains cas (cela dépend du procédé et des caractéristiques du charbon),  la viscosité est si faible que  » les cendres fondues » s’écoulent comme un liquide tel que l’eau. Refroidies brutalement en tombant dans un bain d’eau : elles éclatent alors en petits grains, du verre…

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Cendres vitrifiées issues de centrale thermique : du verre un peu « foncé » mais du verre quand même, qui ressemble à s’y méprendre à des petits grains d’obsidienne (d’ailleurs chimiquement c’est très voisin)

Bref, revenons un peu sur la réaction chimique en jeu là-dedans.

La chimie du verre
Pour faire du verre il « suffit » de faire fondre de la silice : celle-ci se trouve par exemple, en grande quantité dans le sable sous la forme de quartz.
Le quartz c’est de la silice cristallisée (la forme la plus fréquente de silice), elle se présente sous la forme d’un réseau d’atomes de silicium et d’oxygène parfaitement organisé constitué d’un assemblage de blocs pyramidaux (tétraèdres avec au centre le silicium et un atome d’oxygène sur chacun des quatre sommets).

Le tétraèdre

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La structure cristallisée avec enchaînement parfait des blocs de base.

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Réseau très organisé de silice cristallisée (en rouge l’oxygène et gris le silicium)

Un réseau si bien organisé, c’est assez difficile à affaiblir : il faut pour cela apporter une quantité d’énergie importante et monter à un niveau de température élevé. Le quartz ne se ramollit pas en dessous de 1700 °C : et encore, à cette température on le retrouve sous la forme d’une masse sirupeuse difficile à gérer.
Pour rendre l’opération un peu plus facile et donc abaisser la température pour atteindre la fusion, des fondants sont ajoutés : il s’agit de substances qui s’insèrent dans le réseau cristallin de la silice et affaiblissent sa structure. La fusion est donc facilitée.
Pour le verre, on ajoute de la soude (carbonate de sodium) et de la chaux qui permettent à partir d’un certain niveau de température l’insertion d’atomes de sodium et calcium entre silicium et oxygène du réseau originel. La fusion commence alors vers 1500 °C ce qui économise une sacrée quantité d’énergie.
Certains atomes -tel que le calcium- assurent aussi à l’ensemble la stabilité chimique : éviter la dissolution du verre par son contenant (l’eau par exemple, ce qui serait un comble). Ce sont des stabilisants.

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Bref, un verre classique est composé d’environ 71% de silice, 15 % de soude et 9 % de chaux.
Et la suite ?
Une fois le matériau ramolli, le refroidissement rapide permet de figer la structure sans que l’organisation d’un réseau tridimensionnel ne puisse se remettre en place (les atomes inclus gênent bien sûr la formation de cristaux).

Dans l’industrie, différentes techniques de façonnages sont possibles : je vous laisse à cette vidéo.

Bref, comme on l’a vu, pas super simple… et très énergivore.

Or, à minima deux phénomènes naturels (=sans intervention humaine) produisent bel et bien du verre : la foudre et certaines espèces animales dans les profondeurs marines (objet de la partie II).

La foudre

Bien sûr, quand on pense au verre naturel ou à de la roche vitrifiée, on a rapidement à l’esprit les coulées de laves volcaniques qui, à partir de roches en fusion refroidies rapidement, donnent naissance à l’obsidienne.
Mais il existe un autre processus naturel qui transforme le sable en verre et ce, de façon extrêmement rapide, rapide comme l’éclair !
Et oui, la foudre fabrique facilement du verre, surtout lorsqu’elle tombe sur une contrée couverte de sable.
Et pour cause, quelques dizaines de milliers de degrés véhiculés par certains éclairs ont pour effet de faire fondre le sable, vaporiser certains éléments ou minéraux (les alcalins puis même les silicates), produire des réactions chimiques, désorganiser sa structure et donner naissance à de drôles de morceaux de verre : les fulgurites ou « pierres de foudres ». Elles se présentent sous la forme de cylindres (ou formes tronconiques) creux de diamètre compris entre 5 et 50 mm : la taille peut atteindre plusieurs mètres. Ils sont néanmoins très fragiles et cassants.
Cette forme correspond en fait au chemin emprunté par la foudre sous la surface du sol.

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Fulgurites : morceaux de verre formés par l’éclair

De plus près…
La surface est parsemée de vésicules, trous et boursouflures.

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La couleur plus ou moins foncée, montre que le sable frappé par la foudre n’est pas du quartz pur mais contient d’autres inclusions minérales.
Certaines études se sont focalisées sur ce phénomène dans le but notamment de mieux décrire les fulgurites et de leur trouver une classification.
La rapide montée en température sous l’effet de l’éclair (de l’ordre de 1000K/s) provoque la fusion des minéraux touchés par la foudre : c’est ce qui forme une enveloppe cylindrique ou conique creuse car gonflée (tel un grain de maïs se transformant en pop-corn) sous l’effet de la dilatation de l’air et de la vapeur d’eau présents entre les grains de sable (l’humidité du sable est un facteur prépondérant dans la formation des fulgurites).
La volatilisation de certains éléments explique la présence de trous et de vésicules en surface. La chaleur est diffusée radialement donc en dehors du point d’impact la température et la vitesse d’échauffement sont moindres : à proximité de l’enveloppe fondue d’autres minéraux restent donc intacts. Ceci explique l’aspect rugueux de l’enveloppe parce que recouverte de grains de matière non fondus mais adhérant.

Le refroidissement rapide qui suit la fusion explique la nature vitreuse de l’enveloppe.

Les propriétés morphologiques dépendent de la composition des matériaux constituant le sable, de la teneur en eau (intensité de la dilatation) et de la température de l’éclair.

Pourquoi est-ce si important d’étudier les fulgurites ? Parce qu’ils peuvent donner des informations sur le climat passé dans les régions désertiques.

A très bientôt ici même pour la deuxième partie : la lumière sublimée par du verre naturel au fond des océans ! Insolite, non ?

Pour en savoir plus :
http://www.ira.usf.edu/CAM/exhibitions/1998_12_McCollum/supplemental_didactics/10.PetGalliot.pdf

Michael L. Joseph , « A Geochemical Analysis of Fulgurites: from the inner glass to the outer crust », thèse, 2012 (lien)

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