Pourquoi le verre est transparent ?

Le verre, c’est du sable qui a arrêté de se cacher. Son ingrédient principal est le quartz, le même minéral qui compose une grande partie du sable des plages, et pourtant une poignée de sable ne laisse rien voir alors qu’une fenêtre laisse tout voir. Pourquoi le verre est transparent et le sable non ? Il y a deux réponses qui vont ensemble : l’une parle d’électrons qui refusent les petits pourboires, l’autre d’ordre et de désordre. En chemin, tu croiseras un mythe qui s’est glissé jusque dans une encyclopédie très sérieuse, une planche de bois à travers laquelle on voit, et des vitres de voiture qui laissent passer plus de soleil qu’on ne croit.

Des électrons qui refusent les petits pourboires

La lumière arrive en petits paquets d’énergie qu’on appelle des photons. Quand un photon tombe sur un matériau, il se passe l’une de deux choses : un électron du matériau le garde pour lui, ou personne n’en veut et le photon continue sa route.

Pour qu’un électron garde un photon, celui-ci doit lui apporter exactement l’énergie dont il a besoin pour monter d’un cran. Les électrons n’acceptent pas n’importe quelle somme. Soit tu leur donnes pile ce qu’il faut pour passer à la marche suivante, soit il n’y a pas d’affaire. Le cours d’introduction aux matériaux de l’université d’État de Pennsylvanie l’explique avec des rangées : les électrons d’un atome ne peuvent occuper que certaines rangées, et pour passer à la suivante il leur faut une poussée de la taille exacte.

Dans le verre, ces rangées sont tellement éloignées qu’un photon de lumière visible n’a pas la force de faire sauter un électron. Le photon arrive, aucun électron ne peut le prendre, et il poursuit son chemin. Multiplie ça par la quantité folle de photons qui entrent par une fenêtre et tu obtiens un matériau qui laisse passer la lumière presque intacte.

C’est la première condition pour être transparent : la lumière visible ne doit pas être absorbée. Mais ça ne suffit pas. Le sable n’absorbe pas tant de lumière que ça, et on ne voit rien à travers.

Pourquoi le verre est transparent alors que le sable ne l’est pas

C’est là qu’intervient le deuxième ingrédient : l’ordre. Le quartz du sable est cristallin. Ses atomes sont rangés dans un réseau régulier, et chaque grain a des faces, des arêtes et des défauts. D’après le même cours de Penn State, ces arêtes et ces défauts des cristaux réfléchissent et dispersent la lumière. Chaque fois qu’un rayon passe d’un grain à l’autre, ou d’un grain à l’air, il change de direction. Après des milliers de rebonds, la lumière ressort n’importe où et l’image est perdue. Voilà pourquoi un tas de sable paraît blanc ou doré, mais pas transparent.

Le verre est fait à peu près de la même chose, à une différence près : ses atomes ne forment pas de cristaux. Ils restent en vrac, comme dans un liquide, mais figés. Les scientifiques appellent ça un matériau amorphe. Cette structure amorphe, explique Penn State, casse l’organisation en bandes qu’aurait le quartz cristallin, si bien qu’il ne reste aucun niveau vers lequel un électron pourrait sauter en absorbant de la lumière visible. Et comme il n’y a ni grains ni arêtes à l’intérieur, le matériau est uniforme à l’échelle microscopique, et la lumière n’a rien sur quoi rebondir.

Version comptoir : le verre est transparent parce que ses électrons ne peuvent pas garder la lumière visible et parce qu’il n’a pas de frontières internes pour la dévier. Le sable réussit le premier test à moitié et rate le second.

Le bois qui se laisse regarder

Si le secret, c’est de ne pas absorber et de ne pas disperser, alors n’importe quel matériau qui réussit les deux devrait devenir transparent. En 2016, une équipe de l’Institut royal de technologie KTH de Stockholm, dirigée par Lars Berglund, l’a démontré avec du bois.

Les Suédois ont retiré chimiquement d’un fin placage de bois la lignine, l’un des composants des parois des cellules végétales. Le placage est devenu blanc et poreux, mais toujours opaque. Ensuite, ils ont rempli les pores avec un polymère transparent et ajusté à l’échelle nanométrique les propriétés optiques des deux matériaux, pour que la lumière ne remarque pas le passage de l’un à l’autre.

Le résultat, publié dans la revue Biomacromolecules, était un bois à travers lequel on voit. Pas de magie : ils ont enlevé ce qui colorait et bouché les trous où la lumière se perdait. Le verre fait la même chose sans qu’on le lui demande.

L’ultraviolet reste en route

Si la lumière visible passe parce qu’il lui manque de l’énergie, une lumière plus énergique devrait rester coincée. Et c’est le cas. Les photons ultraviolets arrivent avec juste ce qu’il faut d’énergie pour que les électrons du verre les gardent, explique Penn State, et c’est pour ça que le verre freine les rayons du soleil qui font bronzer.

Il y a des petites lignes en bas du contrat. D’après un cours en ligne sur la fabrication du verre hébergé par l’université Lehigh et donné par le professeur James E. Shelby, la coupure de l’ultraviolet dans le verre du commerce se situe vers 310 nanomètres, et elle vient moins du verre lui-même que du fer qu’il contient comme impureté. Au-delà de cette limite, une partie de l’ultraviolet à plus grande longueur d’onde, l’UVA, passe.

Ça se voit dans les voitures. En 2016, une étude publiée dans JAMA Ophthalmology a mesuré la quantité d’UVA bloquée par les vitres de 29 voitures de 15 constructeurs. Les pare-brise en arrêtaient 96 % en moyenne. Les vitres latérales, seulement 71 % en moyenne, avec des cas descendant à 44 %. La différence tient à leur fabrication : le pare-brise est en verre feuilleté, les vitres latérales en général en verre trempé. Les auteurs ont aussi constaté que des vitres teintées, qui laissent passer moins de lumière visible, ne bloquent pas forcément plus d’UVA.

Le vert qu’on voit sur la tranche

Regarde une vitre de face, elle semble incolore. Regarde-la par la tranche, et tu verras un vert bouteille. Ce vert, c’est encore le fer.

Le cours de Shelby est clair : le fer est l’impureté la plus courante des sables utilisés pour faire du verre et le colorant le plus fréquent du verre du commerce. Il donne au verre plat différentes nuances de vert, et aux bouteilles des verts et des ambres. À l’épaisseur d’une fenêtre normale, la couleur se voit à peine. Mais par la tranche, la lumière traverse des centimètres de verre au lieu de quelques millimètres, et le vert s’accumule jusqu’à sauter aux yeux.

S’en débarrasser n’est pas simple. Pour fabriquer le verre le plus clair, que l’industrie appelle « blanc eau », il faut éliminer la plus grande partie de l’oxyde de fer. Et parfois on le garde exprès : le verre automobile contient plus de fer, parce qu’une forme du fer aide à freiner l’ultraviolet qui abîme les plastiques et une autre aide à contrôler la chaleur qui entre avec le soleil.

Les vitraux ne coulent pas

Passons au mythe. Tu l’as sûrement entendu au comptoir : le verre serait en réalité un liquide ultra-lent, et la preuve, ce sont les vitraux des cathédrales médiévales, plus épais en bas parce que le verre aurait coulé pendant des siècles.

En 1998, l’ingénieur en matériaux Edgar Dutra Zanotto, de l’université fédérale de São Carlos au Brésil, s’est mis à faire les calculs après que des étudiants et des collègues lui ont posé la question plusieurs fois. Dans son article de l’American Journal of Physics, il raconte qu’il a d’abord cru à un mythe brésilien, avant d’apprendre qu’un collègue l’avait entendu en Argentine, et un relecteur de la revue lui a confirmé qu’il était très répandu aux États-Unis. On le trouvait même dans un manuel de science des matériaux et dans la très sérieuse Encyclopaedia Britannica.

Et pour faire ses calculs, il ne s’est pas contenté de verre moderne. Son article donne la composition d’un verre jaune médiéval de la cathédrale Saint-Gatien de Tours. Un verre de chez nous, donc, qui a servi à enterrer le mythe. Le même article montre à quel point les recettes médiévales variaient : la silice, l’ingrédient principal, allait de 45 à 75 % du mélange.

Ses résultats sont sans appel. Pour observer un écoulement notable en 800 ans, il faudrait chauffer un verre médiéval typique à environ 414 degrés. À température ambiante, le verre d’une fenêtre ne coulerait que sur des durées qui dépassent de très loin l’histoire humaine. Et il ajoute une preuve que n’importe qui peut vérifier : les musées sont pleins de vases en verre vieux de milliers d’années qui ne se sont pas déformés.

Alors pourquoi certains vitraux sont-ils plus épais en bas ? Zanotto propose une explication d’atelier. Le verre à vitre ancien était soufflé en cylindres, qu’on fendait puis qu’on aplatissait à la main. Les morceaux sortaient d’épaisseur irrégulière, si bien que certaines parties basses pouvaient être plus épaisses que les hautes, tout comme d’autres pouvaient être plus fines.

L’histoire a connu un second round en 2018. John Mauro, chercheur à Penn State, a refait le calcul avec la composition réelle du verre du XIIIe siècle des fenêtres de l’abbaye de Westminster. Il a trouvé que les estimations précédentes s’étaient trompées de 16 ordres de grandeur : ce verre coule bien plus vite qu’on ne le pensait. Malgré tout, il faudrait des milliards d’années pour modifier sa forme de quelques nanomètres. Le mythe reste mort, avec un certificat de décès plus précis. Mauro résume en disant que le verre est un hybride : une structure de liquide et un comportement mécanique de solide. Et c’est en vacances en France, devant la Sainte-Chapelle, qu’il a pris l’une des photos qui illustrent le communiqué de son université.

Murano et les fours bannis

Les fours de verrier ont un défaut : ils mettent le feu. En 1291, d’après le portail officiel du tourisme italien, la République de Venise a ordonné de transférer les verreries de la ville sur l’île de Murano pour limiter les incendies que provoquaient les fours des ateliers. Ce qui a commencé comme une mesure contre le feu a réuni tous les verriers de Venise sur une même île, et le même portail appelle Murano la patrie du verre soufflé.