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Découverte

Laure Guion - 10/05/2012

L’analyse d’images aide à percer les secrets de la formation du verre

Réactions entre un grain de carbonate de sodium (rouge) et deux grains de sable de silice (bleu et jaune), observées à différentes températures sous deux angles différents. - © The American Ceramic Society

Un partenariat original a réuni autour d’un même projet l’équipe Parietal, spécialiste du traitement statistique de l’analyse d’images appliquée au cerveau, et le laboratoire Surface du verre et interfaces (CNRS/Saint-Gobain) pour résoudre les mystères de la formation du verre. L'une des motivations de ces travaux, publiés sur le site de The Journal of the American Ceramic Society , est d'obtenir du verre de bonne qualité à des températures inférieures à celles utilisées actuellement par l'industrie.

Même s’il s’agit d’un des matériaux les plus anciens maîtrisés par l’Homme, le verre n’avait pas encore livré tous ses secrets . En effet, même si l’on sait que sa création est possible par un mélange granulaire composé de deux tiers de sable de silice, et d'un tiers de carbonates de sodium et de calcium porté à 1500°C pendant plusieurs jours, la façon dont les différentes matières premières réagissent entre elles pour se transformer en verre étaient jusqu’ici inconnus.

Pour percer ce mystère, les chercheurs ont observé, pour la première fois, la réaction en train de se produire grâce à la tomographie X développé au synchrotron de Grenoble. C’est dans le traitement statistique de l’analyse de ces images  que l’expertise de Gaël Varoquaux, de l’équipe Parietal, a été précieuse. En effet, la cadence d'acquisition rapide nécessaire pour capturer cette dynamique dégradait la qualité des images : moins de contraste entre les grains et plus de "bruits". L'analyse des images devenait alors particulièrement difficile. L'enjeu a été de segmenter les grains , c'est-à-dire de les détacher automatiquement du fond, mais aussi de les séparer entre eux, et d'identifier les matériaux qui les compose, silicate, carbonate de calcium ou carbonate de sodium. Une difficulté supplémentaire a été le volume de données  : 1 milliard de voxel (contraction de volumetric pixel , c’est-à-dire un pixel en 3D) par image, et un film de mille images par expérience.

Ainsi, les chercheurs ont pu observer les contacts qui s'opèrent entre les éléments présents, et la transformation de matériaux granulaires en verre fondu. Ces images uniques révèlent l'importance des contacts entre grains d'espèces différentes . Ce sont eux qui déterminent si les réactions menant à la production du verre liquide se produisent ou pas. Par exemple, selon l'absence ou la présence de tels contacts, le carbonate de calcium peut soit être incorporé à un liquide très réactif, soit produire des défauts cristallins. Les chercheurs ont aussi été surpris de la haute réactivité du carbonate de sodium à l'état solide: sa grande mobilité avant la fonte des matériaux augmente le nombre de contacts avec les autres grains, ce qui favorise les réactions.

Les chercheurs s'apprêtent désormais à tester différents mélanges pour étudier l'influence de la taille des grains et de leur composition sur la vitesse de la réaction au niveau microscopique. Ils espèrent ainsi trouver des "recettes" pour réduire la quantité de défauts produits au début de la formation du verre, et trouver ainsi des procédés de fabrication plus rapides et moins gourmands en énergie . En outre, ils espèrent développer les méthodes d'imagerie et de traitement des données pour permettre aux chercheurs et aux industriels d'imager la transformation d'autres mélanges granulaires réactifs intervenant dans l'élaboration de verres et matériaux différents.

Mots-clés : Verre Saclay - Île-de-France Parietal Analyse d'images

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