Un échantillon de LionGlass, un nouveau type de verre conçu par des chercheurs de Penn State, dont la production nécessite beaucoup moins d’énergie et est beaucoup plus résistant aux dommages que le verre sodocalcique standard. Crédit : Adrienne Bérard/Penn State
À l’échelle mondiale, la fabrication du verre émet au moins 86 millions de tonnes de dioxyde de carbone par an. Cependant, un nouveau type de verre appelé LionGlass, développé par des chercheurs de Penn State, offre le potentiel de réduire cette production de carbone de 50 %. Non seulement ce verre innovant nécessite beaucoup moins d’énergie pour sa production, mais il offre également une plus grande résistance aux dommages que le verre sodocalcique conventionnel. Les scientifiques à l’origine de cette avancée ont récemment déposé une demande de brevet, marquant ainsi la première étape vers l’introduction de LionGlass sur le marché.
« Notre objectif est de rendre la fabrication du verre durable à long terme », a déclaré John Mauro, professeur Dorothy Pate Enright de science et d’ingénierie des matériaux à Penn State et chercheur principal du projet. « LionGlass élimine l’utilisation de matériaux de lot contenant du carbone et abaisse considérablement la température de fusion du verre. »
Le verre de silicate sodo-calcique, le verre couramment utilisé dans les objets du quotidien, des fenêtres à la vaisselle en verre, est fabriqué en faisant fondre trois matériaux principaux : le sable de quartz, le carbonate de sodium et le calcaire. Le carbonate de sodium est du carbonate de sodium et le calcaire est du carbonate de calcium, qui libèrent tous deux du dioxyde de carbone (CO2), un gaz à effet de serre qui emprisonne la chaleur, lors de leur fusion.
« Pendant le processus de fusion du verre, les carbonates se décomposent en oxydes et produisent du dioxyde de carbone, qui est rejeté dans l’atmosphère », a expliqué Mauro.
Mais la majeure partie des émissions de CO2 provient de l’énergie nécessaire pour chauffer les fours aux températures élevées nécessaires à la fonte du verre. Avec LionGlass, les températures de fusion sont abaissées d’environ 300 à 400 degrés Celsiusa expliqué Mauro, ce qui entraîne une réduction d’environ 30 % de la consommation d’énergie par rapport au verre sodocalcique conventionnel.
Non seulement LionGlass est plus respectueux de l’environnement, mais il est également beaucoup plus résistant que le verre conventionnel. Les chercheurs ont déclaré avoir été surpris de constater que le nouveau verre, nommé d’après la mascotte Nittany Lion de Penn State, possède une résistance aux fissures nettement supérieure à celle du verre conventionnel.
Certaines compositions de verre de l’équipe présentaient une telle résistance aux fissures que le verre ne se fissurerait pas, même sous une force d’un kilogramme provenant d’un pénétrateur de diamant Vickers. LionGlass est au moins 10 fois plus résistant aux fissures que le verre sodocalcique standard, qui forme des fissures sous une charge d’environ 0,1 kilogramme de force. Les chercheurs ont expliqué que les limites du LionGlass n’ont pas encore été trouvées, car ils ont atteint la charge maximale autorisée par l’équipement d’indentation.
« Nous avons continué à augmenter le poids du LionGlass jusqu’à atteindre la charge maximale autorisée par l’équipement », a déclaré Nick Clark, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Mauro. « Cela ne craquerait tout simplement pas. »
Mauro a expliqué que la résistance aux fissures est l’une des qualités les plus importantes à tester dans le verre, car c’est la raison pour laquelle le matériau finit par se briser. Au fil du temps, le verre développe des microfissures sur sa surface, qui deviennent des points faibles. Lorsqu’un morceau de verre se brise, cela est dû à des faiblesses causées par des microfissures existantes. Le verre qui résiste à la formation de microfissures est particulièrement précieux, a-t-il ajouté.
« La résistance aux dommages est une propriété particulièrement importante pour le verre », a déclaré Mauro. « Pensez à toutes les façons dont nous nous appuyons sur la résistance du verre, dans l’industrie automobile et électronique, dans l’architecture et dans les technologies de communication comme les câbles à fibres optiques. Même dans le secteur des soins de santé, les vaccins sont stockés dans des emballages en verre solides et résistants aux produits chimiques.
Mauro espère que la résistance améliorée de LionGlass signifie que les produits créés à partir de celui-ci pourront être plus légers. Étant donné que LionGlass est 10 fois plus résistant aux dommages que le verre actuel, il pourrait être nettement plus fin.
« Nous devrions pouvoir réduire l’épaisseur tout en conservant le même niveau de résistance aux dommages », a déclaré Mauro. « Si nous disposons d’un produit plus léger, c’est encore mieux pour l’environnement, car nous utilisons moins de matières premières et avons besoin de moins d’énergie pour le produire. Même en aval, pour le transport, cela réduit l’énergie nécessaire au transport du verre, c’est donc une situation gagnante pour tout le monde.
Mauro note que l’équipe de recherche évalue toujours le potentiel de LionGlass. Ils ont déposé une demande de brevet pour toute la famille de verre, ce qui signifie qu’il existe de nombreuses compositions au sein de la famille LionGlass, chacune avec ses propres propriétés distinctes et ses applications potentielles. Ils sont actuellement en train d’exposer diverses compositions de LionGlass à un large éventail d’environnements chimiques pour étudier leur réaction. Les résultats aideront l’équipe à mieux comprendre comment LionGlass peut être utilisé dans le monde entier.
« Les humains ont appris à fabriquer du verre il y a plus de 5 000 ans et depuis lors, cela a joué un rôle essentiel pour amener la civilisation moderne là où elle est aujourd’hui », a déclaré Mauro. « Nous sommes aujourd’hui à un moment où nous en avons besoin pour contribuer à façonner l’avenir, alors que nous sommes confrontés à des défis mondiaux tels que les problèmes environnementaux, les énergies renouvelables, l’efficacité énergétique, les soins de santé et le développement urbain. Le verre peut jouer un rôle essentiel dans la résolution de ces problèmes, et nous sommes prêts à y contribuer.
