Le verre est un matériau omniprésent dans la vie courante. Il peut avoir des usages très pratiques (les carreaux de nos fenêtres, les bouteilles de vin) ou très spécifiques (les verres de nos lunettes, les lentilles des appareils photo ou des microscopes). Il est utilisé comme matériel structurel dans les travaux publics : n’avez-vous jamais marché sur un plancher de verre ? Les artisans et les artistes s’en sont emparés pour en faire des objets qui font notre admiration (verres dits en cristal, vitraux des cathédrales). Nous verrons plus loin que la dénomination de verre en cristal est impropre car la structure de ce type de verre n’est pas cristalline.

Les archéologues ont découvert de nombreux objets qui montrent que les égyptiens maîtrisaient la fabrication du verre. Ils utilisaient pour cela du sable (matériau riche en silice), de la chaux vive CaO et de la soude (Na₂CO₃). La soude était obtenue par déshydratation de natron Na₂CO₃.10H₂O dont le Wadi Natroum, une vallée désertique située à 80 km au sud d’Alexandrie, regorge.

La transition vitreuse

Le verre est un matériau solide amorphe (c’est-à-dire non cristallin) obtenu par transition vitreuse. La transition vitreuse résulte du refroidissement très rapide d’un liquide visqueux. Elle a pour particularité de maintenir l’état désordonné des molécules. Les liens qui relient les molécules entre elles sont le résultat d’un optimum énergétique local et la rapidité du refroidissement n’a pas permis le développement de réseaux cristallins. On dit parfois du verre que c’est un liquide de viscosité infinie. La transition vitreuse porte aussi le nom de vitrification. Le processus de refroidissement rapide est la trempe.

Les matériaux amorphes sont dans un état métastable : cet état ne correspond pas à un optimum énergétique global. Mais l’agitation thermique est largement insuffisante pour permettre aux molécules de se déplacer ou de se réorienter. L'augmentation progressive de la température permet aux molécules de redevenir de plus en plus mobiles. Le matériau repasse alors progressivement d'un état amorphe solide à un état liquide de haute viscosité sans qu’on puisse pour autant déterminer une température de fusion précise. Il existe en fait une plage de température dans laquelle les caractéristiques de la matière (module d’Young, viscosité, limite d’élasticité…) varient très rapidement. La température de transition vitreuse T_v est déterminée à partir du profil de transition de l’une ces caractéristiques. Elle est variable en fonction de la composition des verres. Pour les verres minéraux, elle est de 650°C pour les verres les plus simples (comme ceux fabriqués dans l’Egypte ancienne) mais peut être supérieure à 1000°C pour les verres techniques.

Comme nous l’avons dit, cet état est métastable. La température de transition vitreuse des verres minéraux est toujours inférieure à leur température de cristallisation. Le processus de vitrification ne peut donc être qu’un processus de transition. Il implique de baisser la température suffisamment rapidement pour amener le liquide en état de surfusion de façon à lui permettre de passer ensuite à l’état amorphe.

Les verres sont rigides et cassants. Soumis à des contraintes mécaniques trop importantes, ils se fissurent ou se brisent. Les verres minéraux (ou inorganiques) sont connus depuis l’antiquité. Les verres organiques ont été mis au point au XXème siècle. Ils remplacent maintenant les verres minéraux dans de nombreuses applications.

Verres minéraux

Si l’on associe généralement le terme verre minéral à la silice, c’est lié à l’histoire. C’est la première forme de verre que les hommes ont travaillé. Il existe en fait plusieurs types de verres. Nous citerons les trois principaux et nous nous intéresserons surtout au premier :

• les verres  d’oxydes,
• les verres de chalcogénures,
• les verres métalliques.

Le verre de silice est un verre d’oxyde. Son composant principal (le formateur de réseau) est le dioxyde de silicium SiO₂ (la silice). Mais on peut également obtenir des verres d’oxyde avec l’oxyde de bore B₂O₃, l’oxyde de phosphore P₂O₅ ou même le dioxyde de germanium GeO₂. Ces oxydes ne sont pas présents sous cette forme mais sous la forme de molécules polyèdriques (SiO₄, BO₄,  GeO₄…) reliées entre elles de manière désordonnée par leurs sommets (ponts oxygène). Ces oxydes peuvent être mélangés comme dans le cas des verres borosilicates. Le verre borosilicate est obtenu à partir de silice SiO2 (70%), d’oxyde de bore B₂O₃ (15%), d’oxydes alcalins et d’alumine (fondants, voir ci-dessous).

A ces formateurs de réseau sont ajoutés d’autres éléments, souvent appelés fondants car il réduisent la température de fusion de ces oxydes. Les modificateurs de réseau sont le plus souvent à base de métaux alcalins ou alcalinoterreux. Le verre sodocalcique par exemple est obtenu à partir d’un mélange de sable (60%), de carbonate de soude Na₂CO₃ (20%), de carbonate de chaux CaCO₃ (13%) et d’autres ingrédients. Il représente près de 90% de la production industrielle de verres minéraux.

Ces modificateurs ont deux fonctions. Ils compensent la charge portée par les polyèdres lorsqu’ils ne partagent pas tous leurs sommets entre eux. (Lorsqu’il est isolé, le polyèdre formé par un atome de silicium relié à quatre atomes d’oxygène est un anion SiO44-.) Ils servent aussi à casser les liaisons entre polyèdres, ce qui réduit la température du point de fusion (d’où la dénomination de fondants). Enfin, l’ajout d’oxydes métallique permet de colorer le verre.

Le verre de cristal n’a pas, comme nous l’avons dit en introduction, une structure cristalline. C’est un verre de silice contenant une forte proportion d’oxyde de plomb PbO (plus de 24%). Il a un éclat et une transparence incomparables et se taille facilement, ce qui en a fait une matière très prisée par les artisans verriers.

Les verres de chalcogénures ou les verres métalliques échappent à cette classification entre éléments formateurs et modificateurs. Il n’y a ni formateur ni modificateur. C’est en général la différence de rayon atomique entre les composants qui empêche la cristallisation.

Les verres silicatés sont transparents dans le domaine visible mais tous les verres ne le sont pas. Les verres métalliques en particulier sont opaques. La composition du verre influe sur ses caractéristiques optiques : bande passante, indice de réfraction, aberrations chromatiques…

Verres organiques