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Verre

Le verre est un matériau solide amorphe (non cristallin). Les verres sont généralement cassants et optiquement transparents. Le type de verre le plus connu, utilisé depuis des siècles dans les fenêtres et les récipients à boire, est le verre sodocalcique, composé d’environ 75% de silice (SiO ₂ ) avec l’ajout d’oxyde de sodium (Na ₂ O) à partir de carbonate de soude, de chaux (CaO ), et plusieurs additifs mineurs.

Propriétés optiques

Le verre est largement utilisé en raison de la production de compositions de verre qui sont transparentes aux longueurs d’onde visibles de la lumière. En revanche, les matériaux polycristallins ne transmettent généralement pas la lumière visible. Les cristallites individuelles peuvent être transparentes, mais leurs facettes (limites de grains) réfléchissent ou diffusent la lumière, ce qui entraîne une réflexion diffuse. Le verre ne contient pas les subdivisions internes associées aux joints de grains dans les polycristaux, il ne diffuse donc pas la lumière de la même manière qu’un matériau polycristallin. La surface d’un verre est souvent lisse – lors de la formation du verre, les molécules du liquide surfondu ne sont pas obligées de se disposer dans des géométries cristallines rigides. Les molécules peuvent suivre la tension superficielle, ce qui impose une surface microscopiquement lisse. Ces propriétés, qui confèrent au verre sa clarté, peuvent être conservées même si le verre est partiellement absorbant ou coloré.

Le verre a la capacité de réfracter, réfléchir et transmettre la lumière selon les principes de l’optique géométrique. Le verre commun a un indice de réfraction de 1,5. Selon les équations de Fresnel, la réflectivité (la quantité de lumière réfléchie par l’interface air-verre) d’une feuille de verre est d’environ 4 % par surface (à une incidence normale dans l’air). Cela signifie que la quantité de lumière transmise à travers une surface de verre (la transmissivité) est de 96 %. La transmissivité d’un élément en verre à deux surfaces est d’environ 92 %.

Le verre trouve également une application en optoélectronique pour les fibres optiques transmettant la lumière.

Couleur

La couleur du verre peut être obtenue en ajoutant des ions chargés électriquement qui sont répartis de manière homogène, ou en précipitant des particules finement dispersées (comme dans les verres photochromiques). Le verre sodocalcique ordinaire apparaît incolore à l’œil nu lorsqu’il est mince, bien que les impuretés d’oxyde de fer (II) (FeO) jusqu’à 0,1 % en poids produisent une teinte verte. Cela se voit dans des pièces épaisses ou à l’aide d’instruments scientifiques. Le dioxyde de manganèse peut être ajouté en petites quantités pour éliminer la teinte verte donnée par l’oxyde de fer (II). Des ajouts de FeO et Cr ₂ O ₃ peuvent être utilisés pour la production de bouteilles vertes. Le soufre, associé aux sels de carbone et de fer, est utilisé pour former des polysulfures de fer et produire du verre ambré allant du jaunâtre au presque noir. Un verre fondu peut également acquérir une couleur ambrée à partir d’une atmosphère de combustion réductrice.

Lorsqu’il est utilisé dans le verre d’art ou le verre de studio, le verre est coloré à l’aide de recettes étroitement surveillées qui impliquent des combinaisons spécifiques d’oxydes métalliques, de températures de fusion et de temps de «cuisson». La plupart des verres colorés utilisés sur le marché de l’art sont fabriqués en volume par des vendeurs, bien que certains verriers aient la possibilité de fabriquer leur propre couleur à partir de matières premières.

Quartz

Le quartz est un minéral abondant dans la croûte continentale terrestre. Il est constitué d’un cadre continu de tétraèdres silicium-oxygène_SiO4. Chaque atome d’oxygène est partagé entre deux tétraèdres, donnant une formule globale de SiO ₂ . Il existe de nombreuses variétés de quartz, dont plusieurs sont des pierres semi-précieuses.

Propriétés physiques

En raison de son abondance et de sa grande stabilité thermique et chimique, le quartz est largement utilisé dans de nombreuses applications à grande échelle : abrasifs, matériaux de fonderie, céramiques et ciments. Les cristaux de quartz ont des propriétés piézoélectriques. La piézoélectricité est la capacité à développer un potentiel électrique lors de l’application d’une contrainte mécanique. Une des premières utilisations de cette propriété des cristaux de quartz était dans les micros de phonographe, où le mouvement mécanique du stylet dans la rainure génère une tension électrique proportionnelle en créant une contrainte dans un cristal.

Aujourd’hui, un oscillateur à cristal est une utilisation piézoélectrique courante pour le quartz : la fréquence de vibration du cristal est utilisée pour générer un signal électrique de fréquence très précise. Ceci est utilisé dans de nombreux appareils électroniques modernes (montres-bracelets, horloges, radios, ordinateurs, téléphones portables) pour garder une trace du temps ou fournir un signal d’horloge stable pour les circuits numériques.

Couleur

Le quartz pur, traditionnellement appelé cristal de roche (parfois appelé quartz clair), est incolore et transparent ou translucide. Les variétés colorées courantes comprennent la citrine, le quartz rose, l’améthyste, le quartz fumé et le quartz laiteux.

Les variétés cryptocristallines (cristaux à peine visibles au microscope) sont soit translucides soit majoritairement opaques, tandis que les variétés transparentes ont tendance à être macrocristallines (gros cristaux identifiés à vue). La calcédoine est une forme cryptocristalline de silice constituée de fines intercroissances de quartz et de son polymorphe monoclinique, la moganite. D’autres variétés de pierres précieuses opaques de quartz – ou de roches mixtes comprenant du quartz – comprennent souvent des bandes ou des motifs de couleur contrastés. Ceux-ci incluent l’agate, l’onyx, la cornaline et le jaspe.