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Exposition itinérante Le verre s'expose

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Une exposition itinérant

ante edu Pôle Breta

gne

cu

lture

scientifiq

ue produi

te et

diffusée par l’Espace des sciences de Rennn

es en

col

labora

oratio

tion avec

l’

Instit

ut

des Sciences Chimiques de Rennes et I’Institutt d

e Phys

iqued

de Rennes.

Conseil scientifique :

Catherine Boussard Plédel, Ingénieure de recherche

Laurent Calvez, Professeur

Ronan Lebullenger, Maître de Conférences

Louisiane Verger, Chargée de recherche

Jacques Lucas, Professeur émérite

Yann Guéguen, Maître de Conférences

Patrick Houizot, Ingénieur de recherche

Fabrice Célarié, Maître de Conférences

Claire Fourmentin, Doctorante

Hélios Pautrat, Etudiant

Jean Pierre Guin, Directeur de recherche

Xiang Hua Zhang, Directeur de recherche

Rédaction : Dominique Galiana

Conception et réalisation graphique : Atelier Dokibu

Illustrations : Pierre André Cousin

Manipulations interactives : Atelier Maquarthis

Impression : Agelia

Exposition réali

sée dans le cadre de l’année internationale du verre. ©2022

Crédits photos : pixabay.com pour les visuels sans mention de crédit


1


PRISME

ROUGE

ORANGÉ

JAUNE

VERT

BLEU

VIOLET

1

2

3

4

5

A

B

C

D

B

C

D

E

E

Adobe Stock

LE VERRE

R

RE

R

S’EXPOSE

E

X

P

O S

E

Le verre est un matériau très tè c

pourtant assez difficile à défin

d’entre nous, c’est une matière

fragile. Pour les chimistes, le ve

un solide non-cristallin obtenu

fondu et qui présente une pro

appelée transition vitreuse.

Adobe

La structure du verre est très

proch

de celle d’un liquide solidifié.

Les atomes n’y sont pas disposés

de manière régulière, à la différen

de ce que l’on trouve dans un crist

d’où la qualification de solide

« non-cristallin ». Le verre courant

est obtenu à partir de silice (le

plus souvent du sable) et d’autres

composés chimiques qui sont fond

mélangés et refroidis. C’est lors du

refroidissement que se produit la

transition vitreuse qui fige le liquid

Stock

Qu’est-ce que

?

LE VERRE

Ces matériaux sont caractérisés par des propriétés

chimiques, physiques et mécaniques différentes

et donc par des usages s différents.

2

LE VERRE

R

RE

R

S’EXPOSE


E

X

P

O S

E

La fabrication du verre courant

nécessite avant tou ut de la silice

(SiO 2 ) et diver

s additifs.

d if

L’ensemble est fon ndu dans

un four à environ

1 500°C puis

refroidi rapidement

pour que

se produise la transition vitreusee

et éviter ainsi la cristallisation.

Selon l’utilisation et le façonnag

ge

souhaité, le verre ramolli peut être

coulé, soufflé, étiré é puis recuit

ou trempé…

EN SAVOIR PLUS

Co

mment fabrique-t-on

LE VERRERE

Pourquoi recuire le verre ?

Lors de sa fabrication le verre passe de 1500°C à 650°C

en fin de production en quelques minutes. Les parois

extérieures des objets se refroidissent plus vite que

l’intérieur et des contraintes mécaniques apparaissent

dans le verre.

L’objet fabriqué doit alors être recuit

dans un four spécial durant quelques heures à la

température de transition vitreuse (environ 500°C),

puis on diminue lentement la température pour

éviter l’apparition de nouvelles contraintes.

Sans cette étape, la plupart des objets fabriqués

se briseraient avant leur utilisation.

?

Pour fabriquer du verre, il faut utiliser

un formateur, par exemple de la silice.

Mais celle-ci ne fond qu’à une température

très élevée (plus de 1 700°C). Pour abaisser

la température de fusion à environ

1500°C, on ajoute à la silice un fondant

(par exemple de la soude) mais aussi

des stabilisants (alumine, magnésie…).

Fondants et stabilisants représentent 20

à 35 % de la masse totale initiale. Une

fois la pâte de verre obtenue, elle est

façonnée (fabrication de plaques flottées,

de récipients par pressage-soufflage…).

3

LE VERRE

R

RE

R

S’EXPOSE

E

X

P

O S

E

Comment obtenir

une BOUTEILLE,

une VITRE

ou

un

e FIBRE OPTIQUE ?

Une fois la pâte de verre

obtenue, il faut lafaçon

ner

pour fabriquer les objets

désirés. Les techniques

permettant de fabriquer

des bouteilles, des plaques ou

des fibres sont très différente

s.

FIBRE OPTIQUE

La fibre optique

est obtenue par

fibrage qui consiste

à obtenir un fil par

étirage d’un barreau

de verre. Avec un

barreau de 20 cm

de long et 10 cm

de diamètre,

on peut fabriquer

128 km de fibre

optique de 125

micromètres

de diamètre.

5

Four

Mesure de diamètre

Réservoir de résine silicone

Four de polymérisation

Bobine de stockage

2

1

3

4

BOUTEILLES

La technique sans doute la plus connue consiste

à récupérer de la pâte de verre dans un four à

l’aide d’une canne dans laquelle on souffle pour

façonner un objet.

A l’échelle industrielle, on utilise le même principe

pour mettre en forme certains objets.

VITRES

Le verre à vitre

peut être obtenu

par le procédé de

flottage sur bain

d’étain.

remières

n d’étain

Galerie de recuisson

Découpe, empilage, stockage

4

LE VERRE

RE

S’EXPOSE

X

P

E

Verr

r eNATUREL

ouARTIFICIEL

?

L’utilisation du verre date du paléolithique, bien avant

que l’on ne soit capable d’en fabriquer. On exploitait

alors du verre naturel, le plus souvent d’origine

géologique.

Grâce à la découverte d’une technique de fabrication

en Mésopotamie et en Egypte environ 3 000 ans avan

ant JC,

l’utilisation du verre est devenue plus facile et a permis

de réaliser des objets plus divers.

DIATOMÉE, Crédit photo : Nantes Culture Collection.

LES VERRES NATURELS

Des algues microscopiques

s présentes dans

l’eau de mer, les diatomées, sont capables

de fabriquer un squelette de verre

à température ordinaire. Les scientifiques

parlent alors de verre naturel biologique.

i

Pour ce qui concerne les verres d’origine

géologique, ils ont été utilisés dès le

paléolithique. Des pointes de flèches

en obsidienne (verre issu du volcanisme)

ont été retrouvées par les archéologues.

LES VERRES ARTIFICIELS

Les premiers objets en verre de fabrication

humaine sont apparus environ 3 000 ans

avant JC, mais c’est entre le IIIème

et le Ier siècle avant JC que l’on commence

à fabriquer des objets plus complexes.

OBSIDIENNE

5

LE VERRE

RE

S’EXPOSE

E

X

P

O

E

Verre et lumière,

une histoire

d’INTERACTIONS ?

Le verre e est principaleme

lement utilisé pour sa transp

arence

e

qu’il s’agisse de vitrage

, de lentille lle optiqu

e ou

d’écr

an

de téléphone portabl

e. Cependa

nt,

il ag

it tsur rl

la lumiè

re

de manière différente selon le

s situatio

ns : il l

a tra

nsmet

,

parfois en la déviant, mais il peut auss

ila

dispe

rser,

la réfléchir voire la guid

er.

Le verre à base de silic

e est

transp

arent

aux ondes lumineuses. Il est d onc ut

ilisé

couramment en optique.

Les lentilles sont des dispositifs qui permetten

mettent

de modifier la direction de propagation de

la lumière. Les lentilles convergentes et les

lentilles divergentes sont notamment utilisées

pour la correction de la vision. La déviation

des rayons lumineux ne se produit pas lorsque

LENTILLE CONVERGENTE

le rayon arrive perpendiculairement

p

sur une surface plane (une vitre par exemple).

A l’aide d’un prisme de verre, il est possible

LENTILLE DIVERGENTE

de décomposer la lumière pour obtenir

un arc-en-ciel. C’est ce qui se passe lorsqu’il

pleut : les gouttes d’eau jouent le rôle d’une

infinité de prismes.

6

LE VERRE

RE

S’EXPOSE

E

X

P

O S

E

Le verre ordinaire ire permet de

n

omb

bre

ux usages

es.

Cependant, on peut change r ses

pro

opriétés

pour l’utiliser dans des situationstio

pa

articuli

ères en n:










VERRE EN CRISTAL

(RICHE EN PLOMB)

COMMENT

peut-on modifier les

PROPRIÉTÉS

DU

VERRE ?

VERRE FEUILLETÉ

VERRE TREMPÉ

CHIMIQUEMENT



2


2 5 2 3














EN SAVOIR PLUS

Les verres géologiques

L’obsidienne, roche volcanique, a été utilisée au

paléolithique pour fabriquer des outils. Les tectites,

billes de verre formées lors des impacts

de météorite, ont pour leur part servi à la

fabrication de bijoux. On no

te aussi l’existence

des fulgurites, petits tubes de verrere très fragiles,

formées lorsque le sable est frappé par un violent

éclair qui le fait fondre. Il se forme alors des sortes

de petits tubes de verre.

© Minakryn Ruslan sur iStock

AIR

VERRE


RAYON LUMINEUX INCIDENT



EN SAVOIR PLUS

L’indice de réfraction

L’indice de réfraction d’un verre permet de

déterminer l’angle de déviation d’un rayon

lumineux lorsqu’il va passer du verre dans

un autre milieu (l’air par exemple). Au-delà

d’un certain angle d’incidence (angle critique),

le rayon ne peut plus sortir du verre :

c’est ce qui se passe dans une fibre optique.

EN SAVOIR PLUS

Pourquoi colorer le verre ?

On colo

re le

verre pour des motivat

ions

artisti

ques (v

itraux, verres à boire…)

ou pour

prot

téger le contenu du flaco

n

(boutei

lles). les).

Ainsi, pour éviter l’oxydation des huiles

végétales, celles-ci sont conditionnéesnées

dans des bouteilles en verre foncé. La coloration

est obtenue grâce à des oxydes métalliques :

de l’oxyde de cobalt ou de cuivre pour le bleu,

de l’oxyde de fer pour le vert…

TECTITE


7

COUCHE PROTECTRICE HYDROPHOB

E

COUCHE ANTISTATIQUE

COUCHE DURCIE

COUCHE ANTIREF

LETS

INCENDIE

VERRE

BRISÉ

COUCHE PARTIE DU

INTUMESCENTE

VITRAGE ENCORE

TRANSFORMÉE

INTACTE

EN MOUSSE

1

2

3

4

5

6

1

6

4

2

5

3

LE VERRE

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S’EXPOSE

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LE VERRE

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S’EXPOSE

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X

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O

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LE VERRE

R

RE

R

S’EXPOSE

X

P

O

E

POURQUOI

modifier les

PROPRIÉTÉS

DU VERRE ?

Le

verre un matériau industriel ?

LA FIBRE OPTIQUE

Le

verre un matériau industriel ?

LA

VITROCÉRAMIQUE

(v

er

re/céramique)

Le verre à base de silice présente une

bonne résistante thermique et mécanique,

de plus il est stable. Un traitement thermique

spécifique permet cependant de renforcer

sa résistance mécanique.

D’autres familles de verres existent :

leurs propriétés sont adaptées à des usages

spécifiques (verre transparent aux infra-rouges

pour

des caméras ou des détecteurs, verre de

fluoru

res pour les utilisations optiques…).

Le verre est un

matériau industriel très utilisé.

Outre

les objets du quotidien, il est au coeur

de la fabrication des fibres optiques,

compo

sants clés de la transmission des

infor

mations dans les télécommunications.

Grâce

au raccordement à la fibre optique,

chacun d’entre nous peut envoyer et recevoir

des grandes quantités de données sur de très

court

es durées.

La vitrocéramique, inventée

dans les années 1950, est constituée

d’une matrice de verre dans laquelle

des nanocristaux sont dispersés.

Grâce à ce mélange, on obtient

un matériau qui est plus résistant aux

chocs et/ou qui présente des propriétés

optiques et électriques originales.

Le

verre ordinaire accepte bien les chocs thermiques,

mais, pour des usages spécifiques, il doit supporter

de plus grandes variations de température : c’est possible

en ajoutant à la silice du trioxyde de bore (B 2 O 3 ).

On obtient un verre de type Pyrex®.

En trempant un verre (baisse brutale de la température

après sa mise en forme), on obtient un renforcement

mécanique de la surface du verre. S’il se brise, il produit

de nombreux éclats non tranchants et donc moins

dangereux.

Les verres de fluorures sont utilisés pour la construction

des lasers et des fibres optiques fonctionnant dans

l’infra-rouge.

ENVELOPPE

PROTECTRICE

TRAJET LUMINEUX DANS UNE FIBRE OPTIQUE

TRAJET LUMINEUX

GAINE

OPTIQUE

ENVELOPPE PROTECTRICE

GAINE

COEUR

COEUR

A la différence d’un signal électrique,

la lumière se déplace à très grande

vitesse. C’est pourquoi la transmission

par fibre optique est si rapide.

Une fibre optique est composée

de trois parties : le coeur, la gaine

optique et l’enveloppe protectrice.

C’est dans le coeur de la fibre que

le signal lumineux est envoyé.

Le principe est de permettre la

propagation de la lumière dans le coeur

en ajustant les indices de réfraction.

Dans une fibre à saut d’indice,

la différence d’indice d

e réfraction

entre

la gai

ne et le coeur empêche

les sr

ra

yons lumineu xd

de s

ortir

de ece

cel

ui-ci

par réflexion

inter

ne tot

ale.

La vitrocéramique est obtenue

par ajout d’agent de nucléation

dans un verre.

Ces agents vont provoquer

la formation de nanocristaux dispersés

dans la matrice du verre. On obtient

alors un matériau qui est à la fois

vitreux et nano cristallisé.

La vitrocéramique fut d’abord utilisée

pour fabriquer des récipients

de cuisine.

Elle est aujourd’hui utilisée pour

produire des plaques vitrocéramiques,

des vitrages de poêles et de

cheminées, des éléments de missile,

des miroirs de télescopes, des implants

dentaires…

CHAÎNE DE

FABRICATION DE

VITROCÉRAMIQUE

Four

Laminage

« Green glass »

ou « verre mère »

Découpe, façonnage

et sérigraphie

Traitement thermique

de céramisation

Stockage et emballage

EN SAVOIR PLUS

Du verre dans les CD et les DVD ?

Il est possible d’obtenir des CD et des DVD

réinscriptibles avec un verre à base de germanium,

d’antimoine et de tellure. Grâce à une impulsion laser,

ce verre peut passer d’un état amorphe à un état

cristallin de manière réversible et enregistrer ainsi des

informations. Par ce moyen, il est possible d’obtenir

des DVD capables de stocker 25 Go au lieu des 4,9 Go

actuels.

EN SAVOIR PLUS

Qu’est-ce que l’atténuation du signal ?

Lors de la propagation de la lumièr

e dans

la

fibre, il y a atténuation

du sign

al qui devient

de plus en plus faible. Avec

les

fib

res act

uelles

et les longueurs d’ondes uti

lisées,

1 % de

la puis

sance

initial

ement injectée

dans la fibre

est

enc

ore dis

ponible

après 100 km de propa

gation,

ce qui

permet

et

tout

de même une détection

. Pour

remédie

r au pr

oblème

de l’atténuatiténuati

on sur

de très

longue

s dista

nces,

il est

nécessa

ire d’utiliser des am

plificat

eurs

qui von

t resta

urer le

signal

.

ATTÉNUATION

LE SIGNAL QUI SE PROPAGE S’AFFAIBLIT

NANOCRISTA

T

UX AU

SEIN D’UN VERRE

EN SAVOIR PLUS

Des vitrocéramiques d’avenir ?

En

utilisant des chalcogènes (soufre, sélénium,

tellure), des cherche

urs de Rennes ont obtenu

des matériaux originaux, exempts d’oxygène

dont la principale propriété est

d’

être transparent

aux rayons infrarouges. Les applications

de ce type de vitrocéramique pourraient êt re

multiples (imagerie thermique, laser infrarouge…).

10

LE VERRE

RE

S’EXPOSE

E

X

P

O S

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11

LE VERRE

RE

S’EXPOSE


X

P

O

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LE VERRE

RE

S’EXPOSE

E

X

P

O

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LE VERRE matériau

MÉDICAL ?

Des implants et des biomatériaux en verre

et vitrocéramique sont de plus en plus utilisés

dans le domaine médical pour leurs propriétés

originales. Et de nombreuses recherches sont

en

cours pour élargir ce champ d’applications !

LE VERRE matériau

ARCHITECTURAL ?

Le verre est de plus en plus utilisé en

architecture. Ce n’est pas le fruit du hasard

:

il peut prendre pratiquement toutes

les

formes

et, une fois revêtu des couches adéqua

ates,

il permet entre autres de gérer la lu

mière

transmise, d’assurer une bonne isol

atio

on

thermique et de s’autonettoyer sa !

LE VERRE matériau

po

ur

les ARTISTES ?

Lustres et verres de dégustation en verre

de cristal, plats, vitraux, sculptures diverses :

depuis fort longtemps les artistes ont utilisé

le verre comme matière première afin de

créer de véritables œuvres d’art.




















EN SAVOIR PLUS

© gilaxia sur iStock

Des couches pour améliorer

la qualité des verres des lunettes ?

Les verres servant à fabriquer des lunettes sont

revêtus de diverses couches minces afin d’en améliorer

la qualité. Le traitement antireflet, par exemple,

permet

une meilleure transmission de la lumière

(plus de 90% de la lumière incidente traverse le verre).

Ces résultats sont obtenus grâce à des procédés

complexes es perm

ettant le dépôt en surface de substances

comme des oxydes de titane,

divers fluorure

s…

Lesp

spe

ctre solaire

est c

onstit

ué de

54 %

de lum

ière v

isible

, de 4

3%

de rayonneme

nt infraroug

e

et tde 3% de

rayonnement

ultraviolet.

le

En achitect architecture, il est nécessaire

d’adapter les propriétés du verre.

Ce résultat est obtenu par dépôt

sur du verre flotté, de couches

d’oxydes métalliques ou d’autres

matériaux qui permettent d’en

modifier les propriétés :


auto nettoyantes) ;


permettant de filtrer la quantité

de lumière) ;


aux chocs…).

Des verres à couches pour

EN SAVOIR PLUS

la protection contre les incendies ?

Ces verres sont constitués d’un empilement :

une couche de verre, une couche de gel de silicate

(1 mm d’épaisseur environ), une couche de verre

Lors d’un incendie, sous l’effet de la chaleur, le gel

de silicate se transforme en mousse et assure une

forte isolatio

n thermique

ique.

EN SAVOIR PLUS

Qu’est-ce que le verre de cristal ?

C’est un verre à base de silice qui contient au moins 24%

d’oxyde de plomb. Le point de fusion du cristal est ainsi

diminué, c’est un matériau plus lumineux

(par augmentation de son indice de réfraction)

et plus dense ; il produit une sonorité particulière

et, étant moins dur que le verre, il peut être taillé.

Cependant, le plomb est un métal toxique. Des études

scientifiques ont montré qu’il existe un relargage

de celui-ci dans les alcools conservés longtemps

dans un flacon de cristal. La

cémentation, traitem

ent

du cristal, ou l’apparition de cristal sans plomb

permettent d’éviter ce grave inconvénient.

Depuis

3 00 00

av JC,

l’ ’évolution

des techniques

a perm

is aux

artistes tes

de pro

duire

des pièces

de plus

en plus complexese

en variant

les formes,

les coul

eurs…

Des verre

eries célèbres

comme celles

de Mu

rano

près d

e Veni

se en Italie

proposent des pièces

en verre

particulièrement

recher

chées.


13

CENTRE DE CONDITIONNEMENT

REMPLISSAGE

DISTRIBUTION ET

CONSOMMATION

NOUVELLES BOUTEILLES

TRI DE L’HABITANT

USINE VERRIÈRE

COLLECTE SÉLECTIVE

FUSION ET FABRICATION DE NOUVEAUX EMBALLAGES

CENTRE DE TRAITEMENT DU VERRE

EXTRACTION DES ÉLÉMENTS INDÉSIRABLES

LE VERRE

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S’EXPOSE

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14

LE VERRE

R

RE

R

S’EXPOSE

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LE VERRE

UN MATÉRIAU

DURABLE ?

En France, 5 millions de tonnes de verrer

son

nt

fabriq

uées par an pour un chif fre d’affa

fa

ires

d’environ 4 milliards d’euros.

Le sable, dont celui utilisé pour la fab

ricat ion

du verre, est une des ressources le

s plu

s

consommées dans le monde. La filiè

ière

de recyclage doit permettre d’ écon

cono

mise

er

cette matière et de réduire la con

ons

ommat

io

on

d’énergie fossile pour diminue

r la produ

ction

de CO 2 .

Le sable va manquer !

La parution du rapport «Sable

et développement durable» en 2019,

a permis à la directrice exécutive par intérim

de l’ONU environnement, Mme Msuya,

de déclarer : «Nous dépensons notre ‘budget’

sable plus rapidement que nous

ne pouvons le produire de façon

responsable».

Grâce au recyclage

du verre, il est permis

d’espérer que

cette ressource

sera moins

surexploitée.

RECYCLAGE DU VERRE

Un Français jette en moyenne 30 kg

de verre par an mais ce matériau peut

être recyclé à l’infini. Le verre récupéré

est broyé pour obtenir le calcin qui est

mélangé à du sable et des carbonates

de sodium et de calcium.

Le tout est fondu et donne de la pâte

de verre. Une tonne de calcin

permet d’économiser 750 kg

de sable et environ

500 kg de CO 2 .

LE

VERRE, OBJET DE

RE

CH

ERCHE À RENNES

La re

cherche dans le domaine des verres

à Rennesf

foisonne de découvertes.

L’invention denouvelles

es

compositions,

leur mise en forme (fibres opti

ques, lentilles…)

et leur dévelop

veloppemenpem

t industriel grâce à leurs

nombreuses applicationsi

sont l’esse

nce m

ême

du travail des chercheurs de l’université.

Échantill

ons sdeco

mposants

et fibres optiques en verr

re

fluoré.

Aujourd’hui, la recherche rennaise s’oriente vers :

Lentilles fabriqué

es par Umicore

C’est un peu par hasard

qu’un nouveau verre de fluorures

n’a pas fini dans la poubelle.

Un cristal raté a permis la découverte

de cette te nouvelle famille de verres

par les frères Poulain en 1974.

Les fibres en verre de fluorures serve

nt

aujourd’hui comme source laser.

Dans les années 1990, X.H. Zhang

et J. Lucas ont développé des verres

ayant la propriété unique d’être

transparents dans l’infrarouge :

les verres de chalcogénures. Ils sont

actuellement utilisés sur les caméras

thermiques mais également pour

le diagnostic médical, la détection

de polluants...











TASSE FROIDE

TASSE

CHAUDE

PRISE DE

VUE DANS

LE VISIBLE

PRISE DE

VUE DANS

L’INFRAROUGE

EN SAVOIR PLUS

Comment recycle-t-on le verre ?

En boucle «fermée», e», le calcin de verre d’e

mballage sert à faire

de nouveaux emballage

s.

En boucle «ouverte», le calcin de verre d’emballage et d

everre

plat

entre e dans la fabrication de fibres ou de mousses

de verr

e d’isolation.

EN SAVOIR PLUS

Les chercheurs rennais ont é


à l’origine de la création de 4 sociétés

en Ille-et-Vilaine : Le Verre Fluoré (1974),

Vertex (1996, aujourd’hui Umicore IRGlass),

Diafir (2011), Selenoptics (2015).

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