La vitrification est un processus de transformation d’un matériau en un solide amorphe vitreux dépourvu de toute structure cristalline, soit par retrait ou ajout rapide de chaleur, soit par mélange avec un additif. La solidification d’un solide vitreux se produit à la température de transition vitreuse (qui est inférieure à la température de fusion, Tm, en raison de la surfusion).
Lorsque le matériau de départ est solide, la vitrification implique généralement de chauffer les substances à des températures très élevées. De nombreuses céramiques sont produites de cette manière. La vitrification peut également se produire naturellement lorsque la foudre frappe le sable, où la chaleur extrême et immédiate peut créer des structures de verre creuses et ramifiées ressemblant à des racines, appelées fulgurite. Appliqué à la céramique blanche, le terme « vitreux » signifie que le matériau présente une perméabilité extrêmement faible aux liquides, souvent mais pas toujours l’eau, lorsqu’il est déterminé par un régime d’essai spécifique. La microstructure des céramiques vitreuses contient fréquemment des phases amorphes et cristallines.
Exemples
Lorsque le saccharose est refroidi lentement, le résultat est un sucre cristallin (ou barbe à papa), mais, lorsqu’il est refroidi rapidement, le résultat peut se présenter sous la forme d’une barbe à papa sirupeuse (barbe à papa). La vitrification peut également se produire à partir d’un liquide tel que l’eau, généralement par un refroidissement très rapide ou l’introduction d’agents qui suppriment la formation de cristaux de glace. Les additifs utilisés en cryobiologie ou produits naturellement par les organismes vivant dans les régions polaires sont appelés cryoprotecteurs. Les grenouilles arctiques et certains autres ectothermes produisent naturellement du glycérol ou du glucose dans leur foie pour réduire la formation de glace. Lorsque le glucose est utilisé comme cryoprotecteur par les grenouilles arctiques, des quantités massives de glucose sont libérées à basse température, et une forme spéciale d’insuline permet à ce glucose supplémentaire de pénétrer dans les cellules. Lorsque la grenouille se réchauffe au printemps, le glucose supplémentaire doit être rapidement éliminé des cellules et recyclé par excrétion rénale et stockage dans la vessie. Les insectes arctiques utilisent également des sucres comme cryoprotecteurs. Les poissons arctiques utilisent des protéines antigel, parfois annexées de sucres, comme cryoprotecteurs.
Applications
Le verre sodo-calcique ordinaire, utilisé dans les fenêtres et la vaisselle, est créé par l’ajout de carbonate de sodium et de chaux (oxyde de calcium) au dioxyde de silicium. Sans ces additifs, le dioxyde de silicium formera (avec un refroidissement lent) du sable ou du cristal de quartz, pas du verre.
La vitrification est une technique éprouvée dans l’élimination et le stockage à long terme des déchets nucléaires ou d’autres déchets dangereux. Les déchets sont mélangés à des produits chimiques formateurs de verre pour former du verre fondu qui se solidifie ensuite, immobilisant les déchets. La forme finale des déchets ressemble à de l’obsidienne et constitue un matériau durable et non lixiviable qui emprisonne efficacement les déchets à l’intérieur. Les déchets peuvent être stockés pendant des périodes relativement longues sous cette forme sans crainte de contamination de l’air ou des eaux souterraines. La vitrification en vrac utilise des électrodes pour faire fondre le sol et les déchets là où ils sont enterrés. Les déchets durcis peuvent ensuite être déterrés avec moins de risque de contamination généralisée. Selon le Pacific Northwest National Labs, « la vitrification enferme les matériaux dangereux dans une forme de verre stable qui durera des milliers d’années. »
L’éthylène glycol est utilisé comme antigel automobile et le propylène glycol a été utilisé pour réduire les cristaux de glace dans la crème glacée, la rendant plus lisse.
Pendant des années, le glycérol a été utilisé en cryobiologie comme cryoprotecteur des cellules sanguines et du sperme de taureau, permettant le stockage à des températures d’azote liquide. Cependant, le glycérol ne peut pas être utilisé pour protéger des organes entiers contre les dommages. Au lieu de cela, de nombreuses sociétés de biotechnologie font actuellement des recherches pour mettre au point d’autres cryoprotecteurs mieux adaptés à de telles utilisations. Une découverte réussie pourrait éventuellement rendre possible le stockage cryogénique massif (ou « banque ») d’organes humains et xénobiotiques transplantables. Une étape importante dans cette direction a déjà été franchie. Lors de la conférence annuelle de juillet 2005 de la Society for Cryobiology, Twenty-First Century Medicine a annoncé la vitrification d’un rein de lapin à -135°C avec son cocktail de vitrification exclusif. Lors du réchauffement, le rein a été transplanté avec succès chez un lapin, avec une fonctionnalité et une viabilité complètes.
Dans le contexte de la cryogénie, en particulier dans la préservation du cerveau humain, on pense que la vitrification des tissus est nécessaire pour empêcher la destruction des tissus ou des informations codées dans le cerveau. A l’heure actuelle, les techniques de vitrification n’ont été appliquées qu’au cerveau (neurovitrification) par Alcor et à la partie supérieure du corps par le Cryonics Institute, mais des recherches sont en cours par ces deux organisations pour appliquer la vitrification au corps entier.
Voir aussi
- Solide amorphe
- Cryogénie
- Verre
- Décroissance radioactive
Notes
- Jack R. Layne, Jr, et Richard E. Lee, Jr. (1995), Adaptations des grenouilles pour survivre au gel. Recherche sur le climat 5 : 53-59. Consulté le 25 décembre 2008.
- M.I. Ojovan, et W.E. Lee, An Introduction to Nuclear Waste Immobilisation (Elsevier, Amsterdam, 2005), 315.
- Calculs de libération des formes de déchets pour l’évaluation de la performance des installations de stockage intégrées de 2005 (PDF). PNNL-15198. Pacific Northwest National Laboratory (juillet 2005). Consulté le 25 décembre 2008.
- Séance plénière : Principes fondamentaux de la biopréservation. Programme scientifique de CRYO 2005. Société de cryobiologie (24 juillet 2005). Consulté le 25 décembre 2008.
- Ashle, Steven. Juin 2002. Diviser et vitrifier. Scientific American.
- Lovgren, Stefan. Mars 2005. Des cadavres congelés pour une renaissance future par une entreprise d’Arizona. National Geographic.
- Vitrification : Putting the Heat on Waste.
Tous les liens ont été récupérés le 9 mai 2020.
- Vitrification en cryogénie
- Fragilité des liquides et transition vitreuse dans l’eau et les solutions aqueuses
Crédits
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- Vitrification history
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- History of « Vitrification »
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