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Quartz, quartz fondu, verre de quartz, silice, silice fondue the la liste des termes utilisés pour décrire divers matériaux à base de silice est longue, déroutante et souvent mal comprise. Dans cet article, nous examinons de près les propriétés uniques du quartz et de la silice fondue (et de quelques matériaux connexes), et éclaircissons la confusion entourant ces termes.

Quartz vs. Silice

La première chose importante à savoir sur le quartz et la silice fondue est qu’ils sont tous deux principalement composés du même ingrédient: la silice, également appelée dioxyde de silicium. La silice a la formule chimique SiO2 et est le constituant principal de la plupart des types de verre. La forme principale sous laquelle la silice se trouve dans la nature est le quartz minéral: un matériau cristallin dur et transparent qui constitue une fraction appréciable de la croûte terrestre. Bien que le quartz soit principalement constitué de silice, il contient également des impuretés naturelles dans diverses proportions en fonction de son origine géologique.

Ainsi, la silice est un composé chimique spécifique, le dioxyde de silicium, de formule chimique SiO2. D’autre part, le quartz est un minéral cristallin naturel, composé principalement de silice mais contenant certaines impuretés.

Solides cristallins et Amorphes

Pour bien comprendre les différences entre les différents matériaux à base de silice, nous devons d’abord examiner les différences fondamentales entre les solides cristallins et les solides amorphes.

La distinction se résume à la façon dont les atomes sont disposés à l’intérieur des solides. Dans un solide cristallin, les atomes constitutifs sont disposés en motifs réguliers et répétitifs appelés réseaux cristallins. Le quartz est un exemple de matériau à base de silice cristalline: les atomes de silicium et d’oxygène sont disposés dans une structure ordonnée bien définie.

Cependant, dans un solide amorphe, les atomes n’ont pas d’ordre à longue portée. La disposition apparemment aléatoire des molécules dans un solide amorphe ressemble à celle d’un liquide, sauf qu’elles sont fixées en place et ne se déplacent pas. La plupart des matériaux que nous considérons comme du “verre” sont des solides amorphes: en fait, tout matériau à structure atomique amorphe peut être qualifié de “vitreux”.

Que les atomes soient disposés de manière ordonnée ou orientés aléatoirement peut influencer profondément les caractéristiques d’un matériau. L’un des exemples les plus frappants est l’effet de transition vitreuse des solides amorphes. En dehors du monde de la silice ou d’autres matériaux à base d’oxyde, les métaux “vitreux” désordonnés sont souvent utilisés pour leurs caractéristiques mécaniques inhabituelles par rapport aux métaux conventionnels.1

Les matériaux à base de silice – comme le quartz – peuvent être caractérisés à la fois en termes de composition chimique et s’ils sont cristallins ou amorphes.

Définition des matériaux à base de silice

Maintenant que nous avons passé en revue certains fondamentaux importants, nous pouvons définir les différences entre le quartz, la silice fondue et d’autres matériaux à base de silice.

Quartz

Comme mentionné précédemment, le quartz est la principale forme sous laquelle la silice se trouve dans la nature. Le quartz est un solide cristallin; ainsi, bien qu’il puisse ressembler au verre à la fois en termes d’apparence et de composition chimique, il possède des propriétés très distinctes du verre.

Les applications industrielles du quartz (c’est–à-dire le minéral cristallin) sont limitées, mais incluent les oscillateurs à quartz dans les systèmes électroniques – plus familièrement dans les montres-bracelets.

Peut-être confusément, le “quartz synthétique” peut être fabriqué pour des applications industrielles de quartz. Cela serait peut-être mieux appelé silice cristalline, mais est souvent appelé simplement “quartz.”

Silice fondue et Quartz Fondu

Ici, le mot “fondu” désigne une étape de traitement: la silice fondue est nominalement de la silice pure qui a été fondue et refroidie pour former un solide vitreux et amorphe. La silice fondue ressemble à d’autres verres à bien des égards; mais elle ne contient aucun additif. La silice fondue est un matériau spécialisé avec un certain nombre d’applications hautes performances.

Les termes “silice fondue” et “quartz fondu” sont souvent utilisés de manière interchangeable. Plus précisément, le “quartz fondu” fait référence à un solide amorphe formé par fusion de quartz naturel. Ainsi, alors que la silice fondue est apparemment du SiO2 pur, le quartz fondu contient des impuretés en fonction du quartz utilisé.

Verre de silice et Verre de Quartz

Ces termes sont généralement utilisés dans un sens plus générique et peuvent généralement être considérés comme interchangeables. Ces deux termes pourraient se référer à la silice fondue ou au quartz fondu.

Applications de la silice fondue

Bien que la silice fondue soit chimiquement similaire au quartz, sa structure amorphe lui confère un certain nombre de propriétés thermiques, mécaniques et électriques distinctes et hautement souhaitables.

Les verres contiennent généralement des additifs tels que des alcalis, des alcalino-terreux ou d’autres oxydes pour abaisser la température de traitement (de fusion) du verre et améliorer les propriétés chimiques et physiques – mais la silice fondue est très pure. Par conséquent, il a des températures de travail plus élevées mais offre des caractéristiques différentes des autres verres.

La silice fondue a un très faible coefficient de dilatation thermique, ce qui signifie qu’elle ne se dilate pas ou ne se contracte pas beaucoup lorsqu’elle est chauffée ou refroidie. En conséquence, la silice fondue est très résistante aux chocs thermiques et peut résister à un chauffage ou à un refroidissement très rapides sans se fissurer. Les caractéristiques thermiques de la silice fondue la rendent très précieuse pour les composants industriels à haute température tels que les creusets, les plateaux et les bateaux pour la sidérurgie et la fabrication du verre.2

La silice fondue est transparente à un très large spectre de lumière, allant de l’ultraviolet profond à l’infrarouge lointain. Cela en fait un composant clé dans les fibres optiques, ainsi que dans une gamme de lentilles, miroirs et autres optiques transmettant les UV ou les IR.3,4

La silice fondue est également extrêmement inerte chimiquement et résistante à la plupart des acides (à l’exception notable de l’acide fluorhydrique). Cette inertie chimique prête de la silice fondue aux applications biomédicales, prenant souvent la forme de silice poreuse.

La combinaison de la stabilité thermique, de la transparence et de la résistance fait de la silice fondue un candidat solide pour des applications nouvelles et en développement telles que les substrats de photolithographie, les circuits micro-ondes gravés et comme couche protectrice dans les dispositifs à semi-conducteurs.

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Références et lectures complémentaires

1. Métal vitreux serti pour rivaliser avec l’acier: Nouvelles de la nature. https://www.nature.com/news/2011/110109/full/news.2011.4.html.
2. Vert, T. Sélection de matériaux réfractaires pour la fabrication de l’acier. (John Wiley & Fils, 2016).
3. Khalaf, A. L., Shabaneh, A. A. A. & Yaacob, M. H. Applications des Nanotubes de Carbone et de l’Oxyde de Graphène dans les capteurs optochimiques. dans Synthèse, Technologie et Applications des Nanomatériaux de Carbone 223-246 (Elsevier, 2019). doi: 10.1016/B978-0-12-815757-2.00010-3.
4. Wang, S., Zhou, C., Zhang, Y. & Ru, H. Réseaux de transmission en silice fondue haute densité gravés en profondeur avec un rendement élevé à une longueur d’onde de 1550 nm. Appl. Opter. 45, 2567 (2006).