Le verre est l’un des matériaux les plus anciens de l’humanité, et il est encore largement utilisé pour tout, des récipients à boire et des emballages à l’optique et aux communications. Malheureusement, les méthodes de travail du verre sont ancrées dans le passé. La plupart des méthodes nécessitent beaucoup de chaleur élevée dans la plage de 1500 °C à 2000 °C, et elles sont toutes limitées dans la complexité des formes qui peuvent être réalisées.

En ce qui concerne la fabrication de formes, le verre peut être soufflé et le verre fondu pressé dans des moules. Le verre peut également être broyé, gravé ou coulé dans un four. Le verre serait fantastique pour de nombreuses applications s’il n’y avait pas cette géométrie limitée. En raison des limites du formage du verre, certaines lentilles optiques sont fabriquées avec des polymères, même si le verre a de meilleures caractéristiques optiques.

Idéalement, le verre pourrait être moulé par injection comme le plastique. Les avantages de cela seraient doubles : des formes plus complexes seraient possibles, et elles auraient un temps de fabrication beaucoup plus rapide. Eh bien, l’attente est terminée. Des chercheurs de l’université allemande de Fribourg ont trouvé un moyen d’appliquer le moulage par injection au verre. Et ce n’est pas n’importe quel verre – ils ont fabriqué du verre de quartz fondu transparent de haute qualité, et ils l’ont fait à des températures plus basses que les méthodes traditionnelles. L’équipe a utilisé la diffraction des rayons X pour vérifier que le verre est amorphe et exempt de cristaux, et a pu confirmer sa transparence optique de trois manières : mesures par microscopie optique, UV-visible et infrarouge. Tout ce qu’il a révélé était un tout petit peu de poussière, ce qui est normal en dehors d’une salle blanche.

Les polymères le rendent possible

C’est une nouvelle passionnante pour deux grandes raisons : le moulage par injection ouvre la porte à des formes complexes, et il est également moins énergivore que les méthodes traditionnelles de formage du verre. L’équipe a commencé ce voyage en 2017 en piratant une imprimante 3D pour faire gicler de la pâte de verre au lieu du plastique. Pour ce faire, ils ont fabriqué une poudre imprimable à partir de nanoparticules de silice et d’un polymère durcissable aux UV. Bien que cela fonctionnait certainement pour créer des formes complexes, l’impression et le durcissement étaient un processus lent, un à la fois.

Mais maintenant, ils ont amélioré le processus pour travailler avec le moulage par injection. Alors quel est le secret ? Plus de polymères de l’ère spatiale. Ils ont recommencé avec des nanoparticules de silice et ont ajouté du polyéthylène glycol (PEG) et du polyvinylbutryal (PVG). Cela produisait une pâte qu’ils introduisaient dans une extrudeuse, et l’extrudeuse injectait le verre plastifié dans de petits moules complexes en forme de minuscules engrenages, disques et tours.

Une fois sorties du moule, les pièces se maintiennent grâce aux interactions de van der Waals qui se produisent entre les particules de silice. Ce sont de faibles forces électrostatiques qui lient les molécules les unes aux autres. Pour une liaison plus permanente, les chercheurs font d’abord tremper les morceaux dans l’eau pendant plusieurs heures pour éliminer le PEG. Ensuite, ils cuisent les pièces en deux étapes : une fois à 600°C pour brûler le PVB, et une deuxième fois à 1300°C pour fusionner les particules de silice ensemble. À ce stade, le plastique a disparu et tout ce qui reste est le verre.

Le Dr Frederik Kotz, l’un des chercheurs et chef de groupe de la startup de matériaux Glassomer, a déclaré ceci à propos de leur découverte :

Nous voyons un grand potentiel, en particulier pour les petits composants en verre de haute technologie avec des géométries compliquées. Outre la transparence, le très faible coefficient de dilatation du verre rend également la technologie intéressante. Les capteurs et les optiques fonctionnent de manière fiable à n’importe quelle température si les composants clés sont en verre.

Une nouvelle classe de verre rapide

Bien que le moulage par injection soit plus rapide que le processus d’impression et de durcissement de l’équipe d’il y a quelques années, il y a un problème : le lavage du PEG doit être effectué sur plusieurs jours pour empêcher le verre de se fissurer. Quelqu’un trouvera sûrement un moyen de le faire plus rapidement. Peut-être même avant la prochaine fois que le monde aura besoin de flacons en verre pour des milliards de doses d’un nouveau vaccin.

Images via Glassomer