Verres intelligents

Comment peut-on qualifier « d’intelligent » un matériau minéral qui ne dispose pas d’un cerveau, même électronique ? « Objets inanimés avez-vous donc une âme ? » (…)

En fait la définition d’un matériau intelligent se rapporte aux propriétés du matériau qui sont radicalement modifiées sous l’influence d’une sollicitation extérieure : tension électrique, rayonnement, fluide aqueux, choc… Pour les verres, plusieurs familles peuvent être distinguées, dont les propriétés optiques, thermiques, surfaciques peuvent totalement changer.

Ce sont :

    • les verres photochromes,
    • les verres électrochromes,
    • les verres opacifiants,
    • et dans un autre registre et une moindre mesure, les verres isolants thermiques, les verres autonettoyants, les verres chauffants.

Les verres photochromes

Ce sont des verres dont la teinte varie sous l’influence d’un rayonnement (UV par exemple). Pour les verres minéraux, le principe repose sur celui de la photographie argentique : des cristaux d’halogénures d’argent (chlorure ou bromure) et de cuivre sont inclus dans le verre (cf. Argent, Cuivre).

Sous l’action du rayonnement solaire, le réseau ionique Ag+ / Cl- est rompu et sont alors libérés des microparticules d’argent métallique qui coalescent et opacifient le verre. La réaction photochimique est :
Ag+ + Cl- ------> Ag + Cl•

Pour empêcher les atomes de chlore libérés de partir sous forme du dichlore, Cl2 (cf. Chlore), les ions Cu+ du chlorure cuivreux, CuCl, sont oxydés lors de la réaction :
Cu+ + Cl ------> Cu2+ + Cl-
Quand le verre n’est plus éclairé, les ions Cu2+ migrent vers les cristaux d’argent :
Cu2+ + Ag ------> Ag+ + Cu+
et le verre redevient transparent.

Les temps d’induction ont été réduits en améliorant la microstructure et la dispersion des microcristaux inclus : le noircissement demande quelques secondes et le retour à la transparence, une dizaine de secondes. Pour les verres organiques, le principe est un peu différent : ce sont des couches de polymères qui contiennent des molécules qui changent de couleur ou des sandwiches de sol-gel contenant des chromènes. Plusieurs types de motifs organiques peuvent jouer ce rôle par rupture réversible de liaisons C-O, hétérolytiques (spiropyranes) ou homolytiques (pyrroles, mérocyanines) ou des interconversions cis -trans dans des isomères insaturés. Actuellement, les transitions de variation de couleur sont particulièrement rapides.

Les verres électrochromes

Il s’agit de vitrages actifs pour les habitations. Ils apportent pour le résidentiel le contrôle solaire : clairs en hiver pour chauffer la maison par le rayonnement solaire, sombres en été lors des périodes de fort ensoleillement pour éviter des températures trop élevées. C’est un courant électrique qui permet la transition par une technologie multi-couches sur le vitrage : une couche mince d’oxyde conducteur transparente pour l’amenée de courant, une couche électrochrome qui est l’oxyde de tungstène WO3 (cf. Tungstène) et une contre-électrode associée pour la conduction ionique. Sous une impulsion électrique l’oxyde WO3 vire au bleu et conserve cette couleur même lorsque le courant est coupé. Sous une tension inverse, l’oxyde reprend sa couleur initiale et le vitrage redevient transparent.

C’est la technologie qui permet d’avoir des vitrages de grande dimension et qui a le plus de souplesse pour régler l’assombrissement. Le coût reste encore élevé (600 €/m2), mais les projets de Saint-Gobain visent la production de 400 000 m2 de vitrage en 2013 avec des prix qui baisseront automatiquement. La technologie utilisant des revêtements d’électrochromes organiques convient mieux pour des petites dimensions (rétroviseurs d’automobile par exemple), mais souffre encore de la stabilité dans le temps, propre aux molécules organiques.

Les verres autonettoyants

Ils sont produits par dépôt d’une fine couche nanométrique de dioxyde de titane, TiO2 (cf. Dioxyde de titane), qui photocatalyse la destruction des poussières et dépôts organiques sous l’influence de la lumière du soleil (rayonnement UV). C’est ensuite la pluie qui lave la surface dégagée des traces grasses. Ces verres sont particulièrement intéressants pour les verrières de grande hauteur dont le nettoyage est difficile et coûteux.

Les verres thermochromes

On a déjà vu que l’oxyde de vanadium VO2 (cf. Oxydes de vanadium) présentait à 65 °C une transition structurale et électronique qui en faisait au-dessus de cette transition une barrière au rayonnement infrarouge. Des substitutions sur l’ion vanadium permettent d’abaisser la température de transition vers 30 °C. Des verres expérimentaux comportant une fine couche de dioxyde de vanadium sont actuellement à l’essai pour couper sans autre intervention que l’élévation de température le rayonnement infrarouge responsable de l’élévation de température de l’habitation.

Les verres thermiques

Il faut évidemment citer les verres à isolation renforcée (VIR) qui sont utilisés dans l’habitat pour le double ou triple vitrage.

|Ils comportent sur leur face interne des microparticules d’argent et des oxydes des métaux de transition qui laissent passer le rayonnement incident issu du soleil, mais joue comme un miroir pour le rayonnement infrarouge issu de l’intérieur du logement et y conserve mieux la chaleur.

Les verres chauffants eux, au contraire, sont plutôt utilisés dans les pays du nord de l’Europe. Ce sont des particules d’argent plaquées sur les vitrages avec des arrivées de courant qui élèvent la température des vitres et permettent ainsi de déneiger des parties de bâtiment ou des verrières difficiles d’accès.

Les verres électroniques

On connait les verres progressifs qui ont changé la vie des presbytes. Arrivent maintenant les « lunettes intelligentes » qui veulent éviter la distorsion des images que certains subissent difficilement. Elles disposent de verres avec des revêtements de cristaux liquides qui peuvent être activés par un champ électrique en touchant les montures qui contiennent une petite pile électrique rechargeable (ou même simplement en inclinant la tête ) lorsque, par exemple, on veut lire de près (cf. Batteries). Ces verres électroniques sont en phase expérimentale, mais peut-être que d’ici dix ans la technologie dominera le secteur, les opticiens seront alors devenus électroniciens !

Pensée du jour
« De l’ombre à la lumière, allez les verres !  »

Sources

Pour en savoir plus

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