thumb|Une bouteille de verre coloré.
thumb|Bouteille en verre utilisée pour le vin.
On appelle verre : un matériau dur, fragile (cassant) et transparentQuand on dit que le verre est transparent, on parle de la lumière visible, car le verre peut être opaque à d'autres longueurs d'onde., à base de dioxyde de siliciumLa silice, de formule chimique , est le constituant principal du sable. et de fondants et étymologiques de « verre » dans le Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales. Cette définition est celle du sens commun et c'était aussi celle des scientifiques jusqu'au On peut retrouver facilement, dans la littérature scientifique du , cette définition du verre, par exemple dans ce compte-rendu de conférence : Henderson, C. H. (1887), Glass-making, Journal of the Franklin Institute, 124(3), 199-224.. Avant le en effet les verres silicatés (verres sodocalciques) étaient pratiquement les seuls matériaux transparents que l'on savait produire industriellement, et encore aujourd'hui ce sont les verres produits en plus grande quantité (vitrages, vaisselle et verrerie de laboratoire, notamment). Cette définition est porteuse de toute la symbolique établie de la transparence présentée par le verreCnrtl, verre, définition . ; plus généralement, tout solide non cristallin présentant le phénomène de transition vitreuse. Cette définition, proposée par Jerzy Zarzycki.., est celle qui fait aujourd'hui consensus au sein de la communauté scientifique.
Les verres sont généralement obtenus par le refroidissement d'un liquide, suffisamment rapide pour empêcher la cristallisation. Pour certains matériaux il suffit d'une vitesse de refroidissement de l'ordre de quelques degrés par minute, pour d'autres il faut dépasser le milliard de degrés par seconde. On peut aussi former des verres par déposition d'une vapeur sur un substrat froid..
Extensions du mot « verre » La définition classique du mot « verre » (un matériau dur, fragile et transparent, à base de silice) est insuffisamment précise, notamment parce qu'elle inclurait le quartz parmi les verres. Le développement de nouveaux matériaux transparents, depuis un siècle, a rendu cette définition désuète et source de confusion, notamment parce qu'il est difficile de s'assurer qu'un matériau fragile et transparent est bien réellement dur et réellement fait de silice. L'exemple le plus flagrant est le verre de lunettes courant qui, bien qu'on l'appelle « verre » ne répond pas à la définition première : la plupart des verres actuels ne sont ni particulièrement durs, ni à base de silice, mais composés de matériaux organiques ; ils sont d’ailleurs dits verres organiques, par opposition aux verres minéraux, désormais plus rares. La glace de montre est couramment appelé « verre de montre » alors qu’elle n’est pas nécessairement faite de verre (elle peut être en « verre saphir » qui ne contient pas de silice et au sens scientifique n’est pas un verre).
On parle également de « perles de verre » pour des matériaux produits depuis plus de , même si ces perles ne sont pas du tout transparentes (l'aspect vitreux suffit à leur attribuer le nom de verre). Il en va de même pour les millefiori produits depuis l'antiquité. La laine de verre n'a aucune nécessité d'être transparente, elle peut donc être juste translucide, voire noire (de même pour la mousse de verre). On nomme donc « verre » dans le langage courant des objets qui n'en sont pas faits, au sens de la définition commune du verre. À l'inverse, certains matériaux correspondent parfaitement à la définition commune du verre sans en être : outre le quartz, certaines céramiquesLa cristallisation dans les verres application aux vitro, L'actualité chimique. sont des matériaux silicatés, durs, fragiles, transparents dans le visible mais ce ne sont pas des verres.
La communauté scientifique internationale donne donc une autre définition du verre : du point de vue physique, le verre est un matériau amorphe (c’est-à-dire non cristallin) présentant le phénomène de transition vitreuse. En dessous de sa température de transition vitreuse, qui varie fortement avec la composition du verre (plus de pour la silice vitreuse, moins de pour le sélénium amorphe), le verre se présente à l’état vitreux. Aujourd'hui, un grand nombre de solides amorphes sont regroupés sous le nom de « verre ». Ainsi, on fabrique non seulement des verres minéraux, mais aussi des verres organiques et même des verres métalliquesTraité des matériaux - Volume 1 - Introduction à la science des matériaux, PPUR, 1999 , ; plus de détails sur les substances vitrifiables ..
Typologie
Il y a un peu plus d'un siècle, n'étaient considérés comme « verre », même pour la communauté scientifique, qu'un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent à la lumière visible (bien souvent même, ce terme est réservé à un alliage à base de silice). À cette époque, le verre était le plus souvent constitué de dioxyde de silicium (silice , le constituant principal du sable) et de fondants. Dans le langage courant, cette définition persiste, car aujourd'hui encore, parmi tous les types de verre artificiels, le plus courant est le verre sodocalcique.
Il y a plus de quatre mille ans, les céramistes et chaufourniers égyptiens ont découvert qu'en chauffant de la silice SiO (sable), avec du natron, transformé en soude par dessèchement et purification, et de la chaux vive, ils fabriquaient une matière plus ou moins vitreuse et transparente. En ajoutant certains ingrédients ou poudres minérales colorées au mélange, ces premiers verriers obtenaient des verres spécifiques ou diversement colorés. Les proportions massiques du mélange de départ pour obtenir un verre stable à sont d'environ : SiO 70 % ; NaO équivalent soude 15 % ; addition nécessaire de fondants : par exemple CaO 10 % et oxydes métalliques divers 5 %.
D'où l'esquisse sans stœchiométrie de la réaction chimique expliquant la formation concrète de matière vitreuseS'il chauffe le mélange stœchiométrique soude-silice, sans fondant, donc moins fusible, l'opérateur obtient au-delà de au four à charbon le métasilicate de sodium, matière sèche, soluble dans l'eau nommée « », connue pour son usage antique comme desséchant, revêtement anti-feu, poudre protectrice des œufs, détergent. La réaction chimique est la suivante : NaCO + SiO -→ NaSiO + . : SiO + NaCO + … -→ SiO.NaO… +
Depuis les années 1920Rossington, D. R. (1972), Surface chemistry of glass. In Introduction to Glass Science, , Springer US., , on a constaté et mis en évidence, par la diffraction de rayons X (DRX), qu'une des spécificités des verres étaient leur absence de structure cristalline (« d'ordre ») détectable par cristallographie aux rayons X. Cette spécificité n'étant pas propre aux oxydes transparents, mais à tous les amorphes, on a, depuis les années 1920, rassemblé sous le terme « verre » la plupart des solides amorphes. Depuis le début du , nombre de définitionsParks, G. S., Huffman, H. M. et Cattoir, F. R. (1928), Studies on glass. II. The transition between the glassy and liquid states in the case of glucose, The Journal of Physical Chemistry, 32(9), 1366-1379 ont permis d'élargir la définition désuète du verre (à travers leurs points communs : absence d'ordre, transition vitreuse) qui le limitait aux matériaux transparents à base d'oxydes. Ainsi, on fabrique non seulement des verres minéraux, mais aussi des verres organiques et même des verres métalliques. On peut regrouper les verres inorganiques sous différentes classes, dont voici la liste exhaustiveBarton, J. et Guillemet, C. (2005), Le verre, science et technologie, L'Éditeur : EDP Sciences. :
Parmi ces verres, beaucoup ne sont pas transparents (verres oxyazotés, verres métalliques…) ou du moins pas dans le visible (verres de chalcogénures). Il est par ailleurs aisé, sans avoir à rajouter des fractions volumiques importantes d'oxydes métalliques, de produire des verres silicatés faiblement transparents voire opaques. L'obsidienne est par exemple un verre volcanique silicaté généralement légèrement translucide, mais noir. Le verre de REFIOM est également un verre d'oxydes, qui n'a rien de transparent.
Histoire
thumb|Bracelet en perles de verre, nécropole de Prosnes (Marne) culture de La Tène, avant notre ère.
Les verres les plus anciens se trouvent dans certaines météorites, sous la forme de petites veines résultant d'impacts. ou celle d'inclusions produites par condensation directe dans la nébuleuse solaire., et datent donc de jusqu'à (milliards d'années).. Les astronautes d'Apollo 15 ont également rapporté du sol lunaire des petites perles formées il y a plus de . Les verres terrestres les plus anciens, d'origine volcanique, sont des obsidiennes restées à l'état de verre depuis (millions d'années)..
Il y a environ , les humains utilisaient déjà des tectites (des billes de verre formées par des impacts cosmiques) comme bijoux et taillaient l'obsidienne pour fabriquer des pointes de flèches. Les premiers verres fabriqués par les humains sont des glaçures, qui apparaissent sur des céramiques dès le , en Mésopotamie.
Science Physico-chimie Cette partie aborde le verre et ses caractéristiques d’un point de vue physico-chimique. Dans cette partie, nous limiterons notre étude à des verres d’oxydes. Cependant, il existe d’autres grands types de verres (en particulier ceux composés uniquement d’éléments métalliques) non transparents à l'optique mais au magnétisme, les verres métalliques amorphes et les verres de spin, composés cristallisés caractérisés par une absence d’ordre magnétique à grande distance (spin).
Structure Le verre est un matériau amorphe, c’est-à-dire non cristallin. De ce fait, il présente un désordre structural important. Sa structure microscopique est telle qu’il n’existe aucun ordre à grande distance dans un verre. En cela, il est assez analogue à un liquide. Prenons l'exemple de l'eau pure, constituée de molécules d'eau (). Si on isole chaque molécule d'eau, autour de chaque atome d'oxygène, on trouvera toujours deux atomes d'hydrogène : c'est un « ordre » (c'est reproductible d'une molécule à l'autre) à courte distance (à l'échelle de la molécule d'). En revanche, si on prend deux molécules distinctes d' en référence à un instant t et que l'on regarde leurs voisinages, c'est-à-dire l'emplacement exact des molécules d' voisines, on obtiendra deux résultats complètement différents pour nos deux références. Il n'y a pas d'ordre à grande distance (à une distance supérieure à l'échelle de la molécule). On appelle fonction de distribution radiale, ou fonction de distribution de paires, la fonction donnant la probabilité de trouver une particule (dans cet exemple la molécule d'eau) entre un rayon et de la référence. La diffraction de neutron permet, par exemple, l'évaluation des fonctions de distribution radiale d'un matériau, pour chaque élément, et montre des pics plus élargis pour des verres que des cristaux, soulignant le caractère aléatoire de la position des voisins de l'élément atomique de référence, dans les verres..
On retrouve dans les verres l'ordre à courte distance (à l'échelle maximale de quelques distances interatomiques), mais pas au-delà. Ce qui s'illustre par un premier pic fin de fonctions de distribution radiale comme pour un cristal, puis des pics de plus en plus élargis, contrairement à un cristal idéal. vignette|Fonction de distribution radiale de l'argon. La fonction de distribution du verre sera qualitativement similaire à celle du liquide.
Un verre peut même être vu comme un « réseau » tridimensionnel, semblable à celui d’un cristal, mais dans lequel seul l’ordre à courte distance est conservé. Comparons, par exemple, la structure du dioxyde de silicium () cristallin (sous sa forme cristobalite) et celle de la silice vitreuse :