Article détaillé : Histoire du verre.

Les hommes ont commencé par utiliser des verres
naturels comme l’obsidienne puis ont
appris à fabriquer eux-mêmes le verre. Les techniques se sont
étoffées et on a commencé à élaborer des verres transparents, mis
en forme en utilisant notamment le soufflage. Puis avec l’ère
industrielle, les progrès de la chimie et de la physique, on est
passé à la production à grande échelle de verre dont les usages se
sont de plus en plus diversifiés depuis les origines.
2. Science


2. 1. 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, les verres métalliques (composés
uniquement d’éléments
métalliques) et les verres de spin (composés cristallisés
caractérisés par une absence d’ordre magnétique à grande distance, d’où leur
nom).
2. 1. 1. Structure


Diffractogramme de rayons X d’un mélange de deux composés : l’un
vitreux et l’autre cristallin.




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. 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 de la silice (SiOv(2)) cristalline (sous sa forme
cristobalite) et celle de la silice
vitreuse.
Représentation schématique bi-dimensionnelle de la silice
cristalline (cristobalite).



Représentation schématique bi-dimensionnelle de la silice
vitreuse.




Dans les deux cas, chaque atome de silicium est
lié avec quatre atomes d’oxygène,
formant ainsi des tétraèdres
SiO₄ ; chaque tétraèdre pouvant être considéré comme une
« brique » de l’édifice final. Mais tandis que la cristobalite peut
être définie comme un empilement régulier de ces briques
SiO₄, la silice vitreuse peut être considérée comme un
empilement anarchique de ces mêmes briques SiO₄.

En raison de sa structure amorphe, les verres
produisent, en diffraction des Rayons X
(DRX), un halo de diffusion, contrairement aux cristaux qui donnent
des pics étroits et intenses.
2. 1. 2. Principaux composants



En raison de sa structure amorphe, le verre est
soumis à très peu de contraintes stoechiométriques. De ce fait, un
verre peut inclure en son sein une très grande variété d’éléments et présenter des
compositions très complexes.

Dans un verre d’oxydes, ces différents éléments
sont sous une forme cationique, afin de
former des oxydes avec l’anion oxygène
O^2-.

Les cations intervenant dans la composition de
verres peuvent être classés en trois catégories selon le rôle
structural qu’ils jouent lors de la vitrification (formation du
verre) : les formateurs de réseau, les non-formateurs de réseau (ou
modificateurs de réseau) et les intermédiaires. Les critères
structuraux de cette classification prennent en compte le nombre de coordination (nombre d’atomes
d’oxygène auquel est lié le cation) et les forces de liaison.
2. 1. 2. 1. Formateurs de
réseau



Les formateurs de réseau sont des éléments qui
peuvent à eux seuls former un verre. Les éléments formateurs les
plus courants sont le silicium Si (sous
sa forme oxyde SiO₂), le bore B
(sous sa forme oxyde B₂O₃), le phosphore P (sous sa forme oxyde
P₂O₅), le germanium Ge (sous sa forme oxyde
GeO₂) et l’arsenic As (sous sa
forme oxyde As₂O₃).

Ce sont des éléments métalliques de valence assez élevée (généralement 3 ou
4, parfois 5), qui forment des liaisons mi-covalentes mi-ioniques avec les atomes d’oxygène. Ils
donnent des polyèdres de faible
coordinence (3 ou 4), comme
SiO₄, BO₄ ou BO₃. Ces polyèdres
sont liés par leurs sommets et forment le réseau vitreux.
2. 1. 2. 2. Modificateurs de
réseau



Les modificateurs de réseau (ou non-formateurs) ne
peuvent pas former de verre à eux seuls. Ce sont essentiellement
les alcalins, les alcalino-terreux et dans une
moindre mesure certains éléments de transition et les
terres rares.
Rupture d’un pont Si-O-Si par adjonction d’une molécule de
modificateur Na₂O.




Ils sont habituellement plus volumineux (rayon
ionique plus important) que les formateurs de réseau, faiblement
chargés et donnent des
polyèdres de grande coordinence. Leurs liaisons avec les atomes
d’oxygène sont plus ioniques que celles établies par les
formateurs.

Ils peuvent avoir deux rôles structuraux bien
distincts, soit modificateurs de réseau vrais, soit compensateurs
de charge.

• Les modificateurs de réseau vrais cassent les liaisons entre
  les polyèdres du réseau vitreux provoquant une dépolymérisation de
  ce dernier. Ils transforment alors les oxygènes pontants, qui lient
  deux éléments formateurs de réseau, en oxygènes non-pontants, liés
  à un seul formateur de réseau. Ceci se traduit à l’échelle macroscopique par une diminution du
  point de fusion et de la viscosité.
  

• Les compensateurs de charge quant à eux compensent une charge
  négative sur un polyèdre formateur de réseau, par exemple
  BO₄^-, lui permettant d’être
  stable dans cette configuration.
  

2. 1. 2. 3. Intermédiaires