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Le verre : un liquide aux reins solides ?

Le verre est un matériau amorphe, c’est-à-dire non cristallin, il est solide à des températures inférieures à la température dite de transition vitreuse (Tref), mais visqueux au-dessus (Log viscosité <12). Les verres silicatés sont partout autour de nous, du plat à gâteaux de nos cuisines, aux béchers de nos laboratoires, en passant par les écrans des smartphones jusqu’aux laves émises par les volcans. Les propriétés de déformation de ces verres intéressent aussi bien les géologues que nous sommes que les industriels comme Saint-Gobain, Corning ou Schott. Soumis à des contraintes, ils commencent par se déformer viscoélastiquement, c’est-à-dire que la déformation est réversible même si elle n’est pas parfaitement linéaire ni symétrique. Si la déformation est trop importante, ils passent directement à un comportement cassant : le verre se brise. Nos silicates préférés tels que l’olivine, les pyroxènes, le quartz, les péridotites, de leur côté, se comportent comme des solides viscoplastiques : leur élasticité est très faible si bien que la déformation est rapidement irréversible et ils peuvent accommoder de très grandes déformations avant de casser. Bien évidement, ces propriétés mécaniques dépendent fortement de la température et de la composition chimique mais également de la pression : l’écran d’un smartphone résiste souvent aux petits coups, mais rarement à une forte chute !

Dans son travail de thèse qu’il effectue à Mainz sous la direction de Boris Kaus dans le cadre du réseau CREEP, Linfeng Ding étudie la quantification de l’effet de la pression sur la déformation d’un verre silicaté. Il est venu passer un mois à Montpellier dans l’équipe Manteau et Interfaces pour travailler avec Sylvie Demouchy et Manuel Thieme (cf. photo ci-contre : Manuel Thieme et Linfeng Ding préparant une expérience en presse Paterson) dans le but d’étudier expérimentalement l’effet de la pression (100-200-300 MPa) sur un verre industriel, le SCHOTT N-BK7™ . Ce verre fait partie de la famille des borosilicates inventés par le chimiste allemand Friedrich Otto Schott. Dans leur composition, une partie du silicium a été remplacée par du bore (B2O3=10 %wt.), ce qui leur confère des propriétés de résistance au feu, à la différence des verres sodo-calciques, plus fragiles, qui sont utilisés dans la fabrication de nos vitres, bouteilles et autre flacons et qui constituent 90% de la production de verre. Le N-BK7™ est donc un cousin du pyrex !

Le comportement des verres silicatés sous l’effet de la pression révèle des surprises et des réactions contrastées : certains voient leur viscosité (qui quantifie la capacité à se déformer sous l’effet de la contrainte) augmenter avec la pression (olivine fondue, diopside fondu, verres optiques, verres dépolymérisés) alors que pour d’autres, au contraire, la viscosité diminue (obsidienne, basalte, andésite, dacite, verres très polymerisés). L’objectif du travail de Linfeng est de savoir à quelle catégorie appartient le verre SCHOTT N-BK7™. Après plus de vingt expériences en presse Paterson, à différentes pressions, températures (535-700 °C) et vitesses de déformation, les données acquises par Linfeng montrent une augmentation nette de la viscosité avec la pression de confinement.

Linfeng reviendra en juin prochain, pour une nouvelle série d’expériences, en condition statique cette fois, pour mettre des verres sous pression avant de faire des mesures de densité post-expérience. Il préparera également un article en collaboration avec Sylvie et Manuel. À suivre...

Légende photo : un cylindre de verre SCHOTT N-BK7™ avant déformation dans la presse Paterson.