Exposition itinérante "Le verre s'expose"

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 Renn
ennes.
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

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PRISME
ROUGE
ORANGÉ
JAUNE
VERT
BLEU
VIOLET
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2
3
4
5
A
B
C
D
B
C
D
E
E
Adobe Stock
LE VERRE
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RE
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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 ve
rre 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
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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 les 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.
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LE VERRE
RE
S’EXPOSE
E
X
P
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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 po
ur 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
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4
5
6
1
6
4
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LE VERRE
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LE VERRE
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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’u
tiliser 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…).
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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 sa s’autonettoyer !
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 plu
s en plus complexese
en variant
les formes,
les coul
eurs…
Des verre
eries célèbres
comme celles
de Mu
rano
près de
Veni
se en Italie
proposent des pièces
en ver
re
particulièrement
recher
chées.

13
CENTRE DE CONDITIONNEMENT
REMPLISSAGE
DISTRIBUTION ET
CONSOMMATION
NOUVELLES BOUT
EILLES
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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LE VERRE
UN MATÉRIAU
DURABLE ?
En France, 5 millions de tonnes de verre
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 «ouv
erte», 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
té
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).