619 - Le verre : reflet de société, fenêtre sur les avancées technologiques

Un des plus grands défis des neurosciences est de réussir à faire le lien entre le traitement de l’information au niveau des cellules nerveuses et le comportement. La lumière se révèle un outil de choix parce qu’elle permet de suivre la dynamique des phénomènes moléculaires à l'échelle sub-micronique, voire nanométrique, dans la cellule vivante à l'intérieur d'un cerveau en action. Des enjeux majeurs demeurent pour augmenter la résolution spatiale, d'une part, et permettre de visualiser un grand nombre de cellules de manière efficace, d'autre part. Un défi important est également d’amener la lumière en profondeur dans le tissu. Je présenterai certaines stratégies pour relever ces défis: de l’utilisation de certaines "lentilles" -les axicons- pour créer des "aiguilles" de lumière (faisceaux Bessel) à haute résolution à la production de micro-sondes optiques à base de fibres optiques. En outre, à travers des manipulations de la chimie des verres et des approches de microfabrication, on génère des micro-sondes permettant de multiplier les types de mesures avec de meilleures résolutions et efficacités. J'illustrerai avec quelques exemples ce que ces nouvelles technologies permettent de faire pour sonder le cerveau, comprendre son organisation et son fonctionnement, et même traiter certains troubles nerveux.

L’usage du verre s’est rapidement répandu pour sa transparence, sa durabilité et pour sa capacité à être mis en forme. Lors de la révolution industrielle, ce matériau s’est montré parfaitement adapté aux nouvelles approches de fabrication de masse pour différents usages allant du vitrage aux contenants. Durant toute cette période, les différentes compositions de verre sont restées relativement proches. A partir des années 1960, les recherches sur les lasers puis l’avènement des technologies de l’information et en particulier d’internet ont abouti à démontrer les propriétés optiques uniques du verre. Un effort considérable a été déployé pour approfondir les connaissances, modifier les compositions et développer des nouvelles méthodes de fabrication de verre de haute pureté. Encore aujourd’hui ce matériau suscite un fort intérêt pour le développement de la photonique en pleine croissance dans différents secteurs. Il s’agit, maintenant, de réduire la taille des composants et des systèmes ce qui nécessite à nouveau d’explorer de nouvelles compositions mais également de structurer en trois dimensions, jusqu’à de très petites échelles, la composition du verre. Une nouvelle fois ce matériau, qui reste par bien des côtés mystérieux, est au cœur des technologies de pointe.

Véritable galerie d’art souterraine, le métro de Montréal est né d’une volonté de la ville de développer les transports publics pour les Montréalais ainsi que pour les visiteurs de l’Expo 67. Au-delà d’un simple moyen de locomotion, le métro a été considéré comme un support d’expression plastique, autant sous la direction artistique de Robert LaPalme que sous celle de Jean-Paul Mousseau. Même si les positions de ces deux directeurs s'entrechoquent, c’est bien eux qui ouvrent la voie à une première politique d’intégration de l’art à l’architecture.

En quête de clarté, les architectes n’ont pas hésité à faire appel à des artistes plasticiens ou à des vitraillistes dans le but de mettre en place des vitraux permettant de multiplier les sources de lumière artificielle et/ou naturelle. Pour ce faire, les expérimentations de nos artistes-artisans ont été l'occasion de dépasser la définition traditionnelle que l’on peut donner au vitrail. Qu’il s’agisse de la verrière en Hommage aux fondateurs de la ville de Montréal à la station Berri-UQAM de Pierre Osterrath et Pierre Gaboriau ou encore des verrières représentant La vie à Montréal au XIXe siècle de Nicolas Sollogoub, les vitraux du métro de Montréal s’intègrent dans un véritable laboratoire d’expérimentations du vitrail contemporain.

Ainsi, cette communication a pour but de mettre de l’avant les vitraux du métro réalisés grâce à des techniques singulières tout en réfléchissant à la définition que l’on peut donner à ce médium.

Refonte, ajout cimentaire, verre cellulaire, abrasif pour sablage au jet, produit de filatraiton, laine isolante, le verre est un matériau recyclable, dans certains cas à l’infini, comme l’acier (conserves) et l’aluminium (canettes). Plusieurs pays font beaucoup mieux que le Canada. Par contre, avec la nouvelle consigne, le Québec fera un grand pas en avant. En plus de détourner des milliers de tonnes de verre de l’enfouissement, la revalorisation du verre permettra d’économiser des tonnes de gaz à effet de serre. Bellemare Abrasifs & Minéraux recycle et transforme désormais tous les types de verre pour des marchés existants et, d’ici quelques années, de nouveaux marchés importants.

Les sources lumineuses dans l'infrarouge (IR) moyen entre 2 et 20 µm sont d'une grande importance pour les applications de détection moléculaire, de médecine, de sécurité et de défense, ainsi que pour les communications en espace libre. En effet, le spectre du moyen IR couvre notamment d'importantes fenêtres atmosphériques (3-5 µm et 8-12 µm) et la gamme spectrale des signatures moléculaires. Disposer de sources fibrées, large bande, cohérentes et de forte brillance présente alors de nombreux avantages par comparaison aux sources infrarouges thermiques ou aux lasers à cascade quantique, et la génération de supercontinuum (SC) dans des fibres optiques adaptées et pompées en régime femtosecondes est un moyen d'y parvenir. Le développement récent de fibres optiques hautement non linéaires basées sur des verres de tellurites ou de chalcogénures offre une solution du fait de la large transmission IR de ces matériaux combinée à leur forte non-linéarité. Ceci implique de maîtriser les compositions des verres et leur synthèse, les opérations d'étirage des fibres optiques, et la gestion de la dispersion chromatique des guides afin d'obtenir des profils de dispersion adéquats en fonction de la source de pompe utilisée. Nous présentons ici une vue générale de nos travaux dans ce domaine.

Cette présentation traitera de récentes avancées dans le laboratoire de photonique non linéaire à l’Université McGill. On mettra l’emphase sur la réalisation de composants et dispositifs tout-fibre à partir des verres de chalcogénures et de verres fluorés. Ces verres sont choisis spécifiquement pour leurs propriétés telles que la non-linéarité optique, la plage spectrale de transparence, et la tolérance à l’intensité lumineuse. Du côté des dispositifs tout fibre, on traitera entre autres des coupleurs monomodes, dont le coupleur à fibre avec réponse non linéaire en verre chalcogénure. Du côté des dispositifs tout-fibre, on traitera entre autres des convertisseurs en longueur d’onde. On verra aussi pourquoi une cascade de fibres de différentes nature est une approche de grand intérêt pour la fabrication des convertisseurs en longueur d’onde et des sources supercontinuum.

Depuis l’antiquité, un des principaux attraits du verre est la possibilité offerte par ce matériau d’adopter une palette quasiment infinie de colorations. Très rapidement, de nombreuses couleurs ont été maîtrisées par les artistes verriers, pour former des verres plus ou moins opaques. La mise au point de certaines techniques a nécessité une maîtrise technologique étonnante (contrôle de l’atmosphère réductrice des fours, contrôle de la composition, formation de nanoparticules), qui n’est, parfois, toujours pas bien comprise de nos jours. Le sommet de cet art de la couleur a sans doute culminé avec les vitraux des cathédrales européennes, suscitant toujours l’émerveillement auprès des visiteurs. En parallèle, une quête pour la transparence s’est développée depuis l’époque romaine pour obtenir des verres incolores et pour réduire les pertes optiques. La notion d’ambiance lumineuse permise par la transparence est désormais un élément essentiel dans les projets architecturaux contemporains. Cette recherche de la transparence a abouti à la réalisation des fibres optiques actuellement utilisées pour le transport des télécommunications et donc à l’origine de l’expansion d’internet. 

Au cours de cet exposé, je présenterai les notions de transparence, l’origine de la couleur dans les verres et je reviendrais sur l’évolution au cours des siècles de ces deux propriétés fondamentales des verres.

Les verres jouent un rôle fondamental dans notre quotidien tant au niveau économique, culturel, sociétal, énergétiques et géologiques. Les verres géologiques témoignent de l'activité ignée de la Terre et représentent une source importante d'outils et d'objets ornementaux du Paléolithique à nos jours. Mais également, de nos jours, les verres sont utilisés pour fabriquer des matériaux techniques, tels que des containers, des écrans, des fibres aux multiples applications (renforcement, transport information,...), pour assurer le stockage de déchets (domestiques ou nucléaire) et plus récemment des biomatériaux servant à reconstruire le corps humain (implants dentaires, osseux…). Par conséquent, les verres à base de silice sont au cœur de l'histoire de la Terre et de l'humanité. La variation de composition des verres naturels et industriels est vaste mais repose généralement sur une ossature tétraédrique de SiO₄, l'épine dorsale de plus de 90% verres qui nous entourent dans notre quotidien. Autour de cette ossature de silice, les autres éléments chimiques se répartissent en éléments modificateur de réseau, compensateur de charge, colorants, volatiles, et l’ensemble constitue un matériau ou une substance unique.

Au cours de cet exposé, j’aborderai rapidement la notion de matériau vitreux et je mentionnerai quelques grandes familles de verres et je m’appuierai sur une de leur propriété fondamentale : la viscosité et je montrerai le lien possible entre viscosité et structure du verre

La cristallisation du verre est un procédé de choix pour élaborer des matériaux transparents innovants. En contrôlant les processus de nucléation et de croissance cristalline il est en effet possible de synthétiser des matériaux originaux à microstructures spécifiques pouvant montrer diverses propriétés optiques. Cet exposé présentera succinctement quelques bases théoriques puis sera focalisé sur deux applications développées au laboratoire CEMHTI à Orléans :

- des vitrocéramiques nanostructurées issues de verres montrant des séparations de phases à l'échelle nanométrique. La taille de la séparation de phase dans les verres parents peut être adaptée en fonction de la composition chimique nominale. Un traitement thermique approprié peut alors induire la cristallisation d’une seule phase vitreuse, permettant d’accéder à des nano-vitrocéramiques conservant la transparence du verre.

- des céramiques polycristallines transparentes élaborées par cristallisation complète et congruente du verre parent. Les céramiques transparentes concurrencent la technologie monocristalline sur une large gamme d'applications. Cependant, seul un nombre limité de céramiques polycristallines transparentes cubiques ou nanocristallines nécessitant des approches synthétiques complexes et coûteuses a été rapporté jusqu’alors. Nos récents travaux montrent la possibilité d'obtenir de nouvelles céramiques transparentes par cristallisation complète et congruente du verre.

En combinant chimie du verre et procédés thermoélectriques, il est possible d'obtenir de nouvelles structures vitreuses, d'accéder à de nouvelles propriétés et potentiellement de concevoir des verres multifonctionnels. Cette approche a été testée pour contrôler à l'échelle micrométrique diverses propriétés : (i) la réactivité de surface, (ii) le potentiel électrique de surface, (iii) le gradient d'indice de réfraction et (iv) les propriétés optiques de second ordre (SO).

Dans cette étude, nous concentrons notre attention sur le contrôle des propriétés optiques à l'échelle micrométrique. Nous avons démontré la formation de gradient d'indice de réfraction (GRIN) avec de grandes variations (jusqu'à 5.10^-2) sur des verres d'oxyde et de chalcogénure. L'efficacité de ce procédé d'impression de GRIN a été démontrée en formant des matrices de micro-lentilles (tailles de 5 à 100µm) sur de grandes surfaces (plusieurs dizaines de centimètres carrés). En utilisant le même procédé, les propriétés optiques du SO ont été modelées à l'échelle micrométrique dans des matériaux vitreux. En adaptant cette approche aux films minces de niobate amorphe, nous avons induit pour la première fois dans un matériau amorphe une susceptibilité non linéaire du second ordre comparable à celle d'un monocristal de LiNbO₃ (X⁽²⁾ =29 pm/V à 1.06 µm). Ce dernier résultat ouvre la voie à la conception future de circuits photoniques intégrés non linéaires à base de matériaux amorphes.

Des verres avec des propriétés magnéto-optiques sont exploités pour plusieurs applications telles que dans des modulateurs, isolateurs optiques et capteurs sous la forme de fibres optiques. Pour l’optimisation des applications, la composition chimique des verres doit contenir des ions terre-rares et/ou des métaux de transition aux propriétés paramagnétiques et en forte concentration. Les verres partagent la place du marché avec les cristaux, tels que les grenades de gallium (e.g. terbium gallium garnet). Même s'ils possèdent de très bonnes propriétés et sont employés pour de nombreuses applications, ces matériaux doivent encore être améliorés afin de détecter des champs magnétiques de l’ordre des femtoTeslas, comme pour certaines demandes médicales. En effet, aucun verre ou cristal sur le marché ne permet de détecter des champs magnétiques de cet ordre de grandeur. Ainsi, il y a encore beaucoup de recherche et de développement pour accéder à ce domaine très important. Notre travail envisage de montrer les dernières avancées concernant les matériaux magnéto-optiques et les scénarios pour les recherches à venir.

-Présentation générales: Historique, formations , apprentissages, stages, influences artistiques, influences sociales.

-présentation de l’atelier, type de production

-techniques : installation matérielle, ( fours gaz , fours électriques, équipement de travail à froid, torches), construction de l’atelier.

-présentations de acteurs importants du milieu, associations , centres de formations, Conseil des métiers d’art, SODEC, GAS, GAAC.

-présentations des différents marchés en métier d’art, détail, gros, architecture, design d’intérieur, corporatif.

-mise en perspectives des différentes contraintes de ces marchés; place du marché des métier d’art dans l’ensemble de la culture de consommation.

-mise en lumière de certaines pistes d’amélioration et de support du marché des métier d’art.

-ressources et bibliographie.

Le verre est un matériau produit et utilisé pour de multiples applications depuis des siècles, grâce à ses propriétés exceptionnelles, sa polyvalence, et les progrès constants réalisés dans les domaines de la science et de la technologie verrières. Comptant déjà une très riche histoire, le verre continue d’être un matériau du présent, et surtout du futur, un fait souligné par la décision des Nations Unies de déclarer 2022 comme l’Année Internationale du Verre (UN International Year of Glass 2022). Dans cette présentation, l’accent sera porté sur les verres spéciaux, et comment ces verres supportent et permettent le futur de notre société, ainsi que sur certains des défis faisant face à l’industrie verrière.

La présentation dresse un bref historique d’Espace VERRE et illustre ses installations spécialisées en arts verriers à Montréal. Partenaire du cégep du Vieux-Montréal, l’école-atelier constitue le creuset des verriers de la relève. Une équipe de verriers professionnels enseigne les techniques verrières et oriente les étudiant.e.s pour des créations fonctionnelles, décoratives et des œuvres uniques.

L’innovation se décline en des formes artistiques originales, des combinaisons audacieuses ou par l’expression de préoccupations personnelles et d’actualités. C’est vraiment à ce niveau que le verre d’art est un reflet de la société, à la jonction de traditions verrières anciennes et par l’intégration de sujets contemporains et des moyens actuels.

Nos défis concernent d’abord, la matière première, le verre. Son approvisionnement est de plus en plus coûteux pour obtenir les qualités plastiques nécessaires aux activités d’enseignement et de pratique. Ainsi, la longueur de plasticité permet aux étudiant.e.s d’apprendre les techniques de bases et aux verriers professionnels, une qualité de production. Le verre de type sodo-calcique doit être entièrement clair pour satisfaire, en soufflage et en coulage, au plus grand nombre de production. L’énergie est le second défi majeur puisque les coûts ne cessent d’augmenter et que les préoccupations environnementales impliquent des modifications importantes aux équipements.