Vitrification

La vitrification (du latin vitrum « verre », via le français vitrifier ) ​​est la transformation totale ou partielle d'une substance en verre , c'est-à-dire en un solide non cristallin ou amorphe . Les verres diffèrent structurellement des liquides et possèdent un degré de connectivité plus élevé avec la même dimensionnalité de Hausdorff des liaisons que les cristaux : dim _H = 3. Dans la production de céramiques , la vitrification est responsable de leur imperméabilité à l'eau .

La vitrification est généralement obtenue en chauffant les matériaux jusqu'à ce qu'ils se liquéfient, puis en refroidissant le liquide, souvent rapidement, de sorte qu'il passe par la transition vitreuse pour former un solide vitreux. Certaines réactions chimiques donnent également naissance à des verres.

En termes de chimie , la vitrification est caractéristique des matériaux amorphes ou des systèmes désordonnés et se produit lorsque la liaison entre les particules élémentaires ( atomes , molécules , formant des blocs) devient supérieure à une certaine valeur seuil. Les fluctuations thermiques brisent les liaisons ; par conséquent, plus la température est basse , plus le degré de connectivité est élevé. De ce fait, les matériaux amorphes ont une température seuil caractéristique appelée température de transition vitreuse ( T _g ) : en dessous de T _g, les matériaux amorphes sont vitreux tandis qu'au-dessus de T _g, ils sont fondus.

Les applications les plus courantes sont la fabrication de poterie , de verre et de certains types d'aliments, mais il en existe bien d'autres, comme la vitrification d'un liquide de type antigel dans la cryoconservation .

Dans un autre sens du terme, l'incorporation de matière dans une matrice vitreuse est également appelée vitrification . Une application importante est la vitrification des déchets radioactifs pour obtenir une substance considérée comme plus sûre et plus stable pour l'élimination.

Une étude suggère que lors de l' éruption du Vésuve en 79 après J.-C. , le cerveau d'une victime a été vitrifié par la chaleur extrême des cendres volcaniques ; cependant, cela a été vigoureusement contesté.

La vitrification est la fusion partielle progressive d'une argile ou d'un corps résultant d'un processus de cuisson . Au fur et à mesure que la vitrification se poursuit, la proportion de liaison vitreuse augmente et la porosité apparente du produit cuit diminue progressivement. Les corps vitreux ont une porosité ouverte et peuvent être opaques ou translucides . Dans ce contexte, la « porosité zéro » peut être définie comme une absorption d'eau inférieure à 1 %. Cependant, diverses procédures standard définissent les conditions d'absorption d'eau. Un exemple est celui de l'ASTM , qui déclare que « le terme vitreux signifie généralement une absorption inférieure à 0,5 %, à l'exception des carreaux de sol et de mur et des isolants électriques basse tension , qui sont considérés comme vitreux jusqu'à 3 % d'absorption d'eau. »

La poterie peut être rendue imperméable à l'eau par émaillage ou par vitrification. La porcelaine , la porcelaine tendre et les articles sanitaires sont des exemples de poterie vitrifiée et sont imperméables même sans émail. Le grès peut être vitrifié ou semi-vitrifié ; ce dernier type ne serait pas imperméable sans émail.

Lorsque le saccharose est refroidi lentement, il donne du sucre cristallisé (ou sucre candi ), mais lorsqu'il est refroidi rapidement, il peut former de la barbe à papa sirupeuse (barbe à papa).

La vitrification peut également se produire dans un liquide tel que l'eau, généralement par refroidissement très rapide ou par l'introduction d'agents qui suppriment la formation de cristaux de glace . Cela contraste avec la congélation ordinaire qui entraîne la formation de cristaux de glace. La vitrification est utilisée en cryomicroscopie électronique pour refroidir les échantillons si rapidement qu'ils peuvent être imagés avec un microscope électronique sans dommage. En 2017, le prix Nobel de chimie a été décerné pour le développement de cette technologie, qui peut être utilisée pour imager des objets tels que des protéines ou des particules virales.

Le verre sodocalcique ordinaire , utilisé dans les fenêtres et les récipients pour boissons, est créé par l'ajout de carbonate de sodium et de chaux ( oxyde de calcium ) au dioxyde de silicium . Sans ces additifs, le dioxyde de silicium nécessiterait une température très élevée pour obtenir une fusion, puis (avec un refroidissement lent) un verre.

La vitrification est utilisée dans l'élimination et le stockage à long terme des déchets nucléaires ou d'autres déchets dangereux dans une méthode appelée géofusion . Les déchets sont mélangés à des produits chimiques formant du verre dans un four pour former du verre fondu qui se solidifie ensuite dans des bidons, immobilisant ainsi les déchets. La forme finale des déchets ressemble à de l'obsidienne et est un matériau durable et non lixiviant qui piège efficacement les déchets à l'intérieur. Il est largement admis que ces déchets peuvent être stockés pendant des périodes relativement longues sous cette forme sans se soucier de la contamination de l'air ou des eaux souterraines . La vitrification en vrac utilise des électrodes pour faire fondre le sol et les déchets là où ils sont enfouis. Les déchets durcis peuvent ensuite être exhumés avec moins de risque de contamination généralisée. Selon les Pacific Northwest National Labs , « la vitrification enferme les matériaux dangereux dans une forme de verre stable qui durera des milliers d'années. »

La vitrification en cryoconservation est utilisée pour conserver, par exemple, les ovocytes ( en cryoconservation d'ovocytes ) et les embryons (en cryoconservation d'embryons ) humains. Elle empêche la formation de cristaux de glace et est un processus très rapide : -23 000 °C/min.

Actuellement, les techniques de vitrification n'ont été appliquées qu'au cerveau ( neurovitrification ) par Alcor et au haut du corps par le Cryonics Institute , mais des recherches sont en cours par les deux organisations pour appliquer la vitrification à l'ensemble du corps.

De nombreuses plantes ligneuses vivant dans les régions polaires vitrifient naturellement leurs cellules pour survivre au froid. Certaines peuvent survivre à une immersion dans l'azote liquide et l'hélium liquide . La vitrification peut également être utilisée pour préserver les espèces végétales en voie de disparition et leurs graines. Par exemple, les graines récalcitrantes sont considérées comme difficiles à conserver. La solution de vitrification végétale (PVS), l'une des applications de la vitrification, a permis de préserver avec succès les graines de Nymphaea caerulea .

Les additifs utilisés en cryobiologie ou produits naturellement par des organismes vivant dans les régions polaires sont appelés cryoprotecteurs .