Première visualisation de la transformation du sable en verre
Par Benje le jeudi, avril 26 2012, 09:34 - Nouvelles Scientifiques - Lien permanent
Source: CNRS
Déjà connu des anciens Égyptiens, le verre est l'un des matériaux les
plus anciens fabriqués par l'homme. Pourtant, sa formation à partir de
poudres granulaires chauffées à plus de 1000°C comporte encore des zones
d'ombre. Pour la première fois, une équipe pilotée par le laboratoire Surface du verre et interfaces (CNRS/Saint-Gobain) (1), est parvenue à visualiser la formation de ce matériau en temps réel et de l'intérieur même de l'échantillon grâce à la tomographie X, technique d'imagerie 3-D. Ces expériences, réalisées à l'ESRF (European Synchrotron Radiation
Facility), permettent de mieux comprendre comment les différentes
matières premières réagissent entre elles pour se transformer en verre.
L'une des motivations de ces travaux, publiés sur le site de The Journal of the American Ceramic Society, est d'obtenir du verre de bonne qualité à des températures inférieures à celles utilisées actuellement par l'industrie.
Les chercheurs ont étudié un mélange proche de celui utilisé pour fabriquer le verre à vitres, composé de deux tiers de sable
de silice, et d'un tiers de carbonates de sodium et de calcium. Dans
les fours industriels, ce mélange est porté à 1500°C et doit rester
plusieurs jours dans le four pour supprimer les bulles ou les défauts cristallins. Le processus demande donc beaucoup d'énergie,
et l'un des enjeux industriels est d'obtenir du verre de bonne qualité à
des températures moins élevées. Mais pour cela, il est nécessaire de
comprendre les différentes étapes de la transformation des matières
premières, ainsi que le couplage entre les réactions chimiques et la
microstructure du mélange initial.
Pour ce faire, les chercheurs ont observé, pour la première fois, la réaction en train de se produire grâce à la tomographie X. La puissante ligne de lumière
ID15a du synchrotron européen situé à Grenoble, a permis d'obtenir in
situ une image en 3D toutes les quinze secondes de la réaction en cours,
et ceci avec une résolution spatiale de 1,6 microns. Ainsi, les
chercheurs ont pu observer les contacts qui s'opèrent entre les éléments
présents, et la transformation de matériaux granulaires en verre fondu.
Ces images uniques révèlent l'importance des contacts entre grains
d'espèces différentes. Ce sont eux qui déterminent si les réactions
menant à la production du verre liquide
se produisent ou pas. Par exemple, selon l'absence ou la présence de
tels contacts, le carbonate de calcium peut soit être incorporé à un
liquide très réactif, soit produire des défauts cristallins. Les
chercheurs ont aussi été surpris de la haute réactivité du carbonate de
sodium à l'état solide: sa grande mobilité avant la fonte des matériaux
augmente le nombre de contacts avec les autres grains, ce qui favorise les réactions.
Les chercheurs veulent à présent réaliser de nouvelles expériences en faisant varier la taille des grains ou la montée en température. À long terme, ces travaux fondamentaux pourraient donner des clés pour réduire la quantité
de défauts produits au début de la formation du verre, et trouver ainsi
des procédés de fabrication plus rapides et moins gourmands en énergie.
En outre, ils espèrent développer les méthodes d'imagerie et de
traitement des données
pour permettre aux chercheurs et aux industriels d'imager la
transformation d'autres mélanges granulaires réactifs intervenant dans
l'élaboration de verres et matériaux différents.
Voir la vidéo de la transformation des grains de sable en verre ( © E.Gouillart): http://www.youtube.com/watch?v=pPyG_fEee_ohttp://www.youtube.com/watch?v=pPyG_fEee_o
Notes: (1) En collaboration avec l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP - CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier), le laboratoire Sciences et Ingénierie, des MAtériaux et Procédés (SIMaP, CNRS/Institut polytechnique de Grenoble Université Joseph Fourier, Grenoble) et l'INRIA Saclay (Parietal).