L'ÉTAT VITREUX

Le premier chapitre des livres élémentaires de physique traite des trois états de la matière, solide, liquide et gazeux. Les deux premiers constituent les états condensés dont la propriété commune est l’incompressibilité. On considère alors comme solides les corps ayant une forme propre qui ne peut être modifiée que par l'intervention d’une force suffisante. Les liquides au contraire n’ont pas de forme déterminée, il faut les placer dans des récipients solides pour les empêcher de couler.

Les solides possèdent des propriétés mécaniques telles que la dureté, la ténacité, la fragilité. La principale propriété mécanique d’un liquide est sa viscosité ou son inverse la fluidité. Elle correspond aux résistances de frottement plus ou moins grandes qu'éprouvent les molécules du liquide pour se déplacer les unes par rapport aux autres. Le coefficient de viscosité qu’on mesure généralement en poises varie considérablement d’un liquide à l’autre. Par exemple, les coefficients de viscosité de l’eau, de l’huile de ricin et de la poix à 0 degrés ont respectivement pour valeurs 1 centipoise, 10 poises et 10° poises.

Si l’on admet la définition que nous avons indiquée pour les solides, on est

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conduit à considérer que dans ces corps les molécules sont fixes ; autrement dit, les frottements internes des molécules étant considérables, la viscosité est infiniment grande.

La distinction entre les solides et les liquides de très forte viscosité n’est pas aussi simple car beaucoup de solides présentent à un degré plus ou moins élevé la « plasticité », c’est-à-dire qu’ils peuvent changer de forme dans certaines conditions comme le font les liquides à haute viscosité. La plasticité peut se manifester sous l’action d'efforts peu considérables mais persistants. Par exemple, un bâton de cire qui repose par ses extrémités finit par se courber sous son propre poids. On arrive à faire courber les métaux sous pression bien au-dessous de leur température de fusion. La frappe des monnaies est encore une application de la plasticité. ;

De plus, certains corps semblent bien former l'intermédiaire entre solides et liquides. La poix de Bourgogne en est un exemple. Sous l’action d’un coup de marteau, elle se brise en donnant des éclats. D'autre part, si l’on place un morceau de poix sur des bouchons de liège et par-dessus des balles de plomb, au bout de quelques semaines, les bouchons flottent sur la poix et les balles se retrouvent au fond.

On ne peut donc distinguer l’état solide de l’état liquide par de simples considérations mécaniques. Aussi dans le domaine scientifique, on ne considère en général comme véritables solides que les corps cristallisés, dont la caractéristique essentielle est l’anisotropie. Les cristaux présentent des propriétés différentes suivant les directions par exemple, la dilatation, la réfraction; ils possèdent de plus des plans de clivage. Ceci s'explique par la structure réticulaire des cristaux qui a été révélée par les rayons X. En général, la plupart des solides se présentent sous la forme d’un enchevêtrement de cristaux microscopiques différemment orientés de sorte que leur anisotropie n'apparaît pas au premier abord. La méthode de Debye et Scherrer permet de déceler la structure cristalline de solides même réduits à l’état de poudre. Certains solides ne donnent pas de diagrammes composés de fines raies mais un simple halo imprécis comme celui qu’on obtient pour les liquides. Ces solides ne possèdent pas de structure, les molécules bien qu’elles soient immobiles les unes par rapport aux autres sont réparties suivant une loi du hasard. Ces corps isotropes ont reçu le nom de solides amorphes ou encore solides vitreux. Il faut remarquer qu'avant de disposer de la méthode d'investigation par les rayons X, on avait qualifié d’amorphes certaines variétés dont la structure cristalline n’était pas

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apparente. C’est ainsi que les dénominations, bore amorphe, carbone amorphe, silicium amorphe sont impropres.

Le passage de l’état liquide à l’état solide cristallisé est discontinu. Il y a, pour chaque pression, une température où les deux états peuvent coexister en équilibre. On voit alors en présence deux phases distinctes présentant des propriétés physiques différentes (en particulier, le volume). Le changement d'état à température constante est accompagné d’un effet thermique.

Moyennant quelques précautions, on peut amener certains corps au-dessous de leur température de solidification sans qu'ils perdent l’état liquide. On dit qu'il y a surfusion. Cet état est tout à fait instable. Le contact avec un cristal ou parfois un simple choc suffit à le faire cesser. Certaines expériences de surfusion sont classiques comme celles du phosphore blanc ou de l’hyposulfite de soude hydraté. Quand on abaisse la température du liquide surfondu, il devient de plus en plus visqueux et finit par posséder les propriétés mécaniques d’un solide. On dit qu’on a affaire à un verre. À aucun moment, durant le refroidissement on n’a observé un phénomène analogue à la solidification, les propriétés physiques ont évolué de façon continue, en particulier, la viscosité. L'état vitreux se présente donc comme un prolongement de l’état liquide quand la viscosité est devenue considérable.

Parmi les états condensés, il y a donc lieu simplement de distinguer l’état cristallisé et l’état amorphe; ce dernier peut présenter des variétés liquides ou solides sans qu'il y ait une délimitation nette. L'état amorphe est stable au-dessus du point de fusion; il devient instable immédiatement en dessous. Les verres peuvent, par contre, se conserver indéfiniment même en présence de cristaux. L’état amorphe est donc stable aux basses températures autant que l’état cristallisé. D’après Tammann ce serait même l’état le plus stable.

Les corps qui peuvent prendre facilement la forme vitreuse, c’est-à-dire ceux pour lesquels on peut réaliser la surfasion, sont très nombreux et les plus divers : quelques corps simples principalement le soufre et le sélénium. Quand on projette du soufre fondu dans de l’eau froide on obtient, non du soufre cristallisé, mais une substance qui conserve pendant quelque temps une élasticité comparable à celle du caoutchouc. Ce « soufre mou » est instable, mais si le refroïdissement est poussé jusque vers 20°, on obtient un véritable verre. Les anhydrides borique, arsénieux, phosphorique et silicique présentent l’état vitreux, le premier même n’a jamais été obtenu à l’état cristallisé. Les sels correspondants à ces anhydrides peuvent prendre également l’état vitreux ainsi que les

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mélanges les plus complexes de ces sels qui constituent les verres ordinaires. IL est assez curieux de constater qu'aucun oxyde basique ne présente l’état vitreux. Les silicates, d’ailleurs, subissent rapidement la dévitrification quand on augmente la proportion d'éléments basiques. Certains sels hydratés tels que l'hyposulfite de soude SO Na°, 5H°O fondent par échauffement avec leur eau de cristallisation. Par refroidissement brusque on peut éviter la cristallisation et l’on obtient un verre.

Plusieurs groupes de composés organiques en particulier les alcools donnent des verres. Des produits naturels tels que les résines, les gommes sont vitreux. On fabrique depuis quelques années dans l’industrie des « verres organiques », tels que celluloïd, xylonite, bakélite, pollopas, etc. Ces produits sont obtenus par dissolution de nitrocellulose, ou polymérisation de formol, de phénol et d'urée.