Verre opalin : pourquoi il est blanc, et comment on le fabrique

Éteint, un dôme de verre opalin a la couleur du lait. Pourtant, il ne contient aucun pigment blanc. Sa matière de base est un verre transparent ; ce qui le blanchit, ce sont d'innombrables grains plus petits qu'un micron, pris dans la masse, qui renvoient la lumière dans tous les sens. Ce blanc est une affaire d'optique, et il se règle au four.

Le verre opalin, un verre clair rempli de grains

Le Corning Museum of Glass définit l'opal glass comme un verre translucide et blanc, à la nuance grise ou bleutée, qui rappelle l'opale¹1Corning Museum of Glass, Opal glass.. Le dictionnaire donne à l'adjectif « opalin » le même sens : une teinte laiteuse et bleuâtre, aux reflets irisés²2CNRTL, Opalin, TLFi..

Les verriers industriels sont plus précis. Dans leurs brevets, un verre opalin est un matériau à deux phases : une matrice de verre transparente, et une seconde phase dispersée en petites particules, cristaux ou gouttelettes d'un autre verre qui ne s'y mélange pas³3Flannery et al., brevet US 4 298 390, Corning, 1981.. Ces particules sont peu nombreuses : dans les opalins au fluorure, les cristaux occupent en général moins de 10 % du volume⁴4Boyd et al., brevet US 4 080 215, Corning, 1978.. Le reste est du verre clair, semé d'obstacles.

Pourquoi des grains transparents donnent du blanc

La lumière change de direction chaque fois qu'elle passe d'une matière à une autre d'indice de réfraction différent. Un cristal de fluorure de sodium a un indice d'environ 1,336 ; le verre qui l'entoure, environ 1,48. Corning attribue à cet écart l'aspect blanc laiteux et dense de ses opalins⁴4Boyd et al., brevet US 4 080 215, Corning, 1978..

Un rayon qui traverse la paroi rencontre une multitude de ces interfaces. Dévié, puis dévié encore, il ressort dans une direction sans rapport avec celle d'où il venait. Si toutes les couleurs sont déviées à peu près autant, l'ensemble ressort blanc. C'est le mécanisme des nuages : leurs gouttelettes, bien plus grosses que les molécules de l'air, diffusent la lumière presque sans distinction de couleur, d'où leur blanc ou leur gris neutre⁷7C. R. Nave, HyperPhysics, Blue Sky, Mie Scattering..

Le lait suit la même logique. Des chercheurs en synthèse d'image ont modélisé son aspect avec la théorie de Lorenz-Mie, celle des nuages et des peintures, en ne réglant que deux paramètres : les teneurs en matières grasses et en protéines, c'est-à-dire en particules⁹9Frisvad, Christensen, Jensen, ACM Transactions on Graphics, 2007.. Lait, nuage, verre opalin : transparents à petite échelle, blancs à grande échelle.

Un brevet Corning énumère ce qui règle l'effet : l'écart d'indice, la taille et la forme des particules, leur répartition et leur nombre³3Flannery et al., brevet US 4 298 390, Corning, 1981.. Le verrier joue sur chacun.

La taille des grains règle la blancheur

La taille décide de la façon dont chaque couleur est diffusée. Pour des particules de moins d'un dixième de la longueur d'onde, on parle de diffusion de Rayleigh⁷7C. R. Nave, HyperPhysics, Rayleigh Scattering. : son intensité varie comme l'inverse de la puissance quatre de la longueur d'onde, et le bleu est bien plus diffusé que le rouge⁸8R. M. Almeida, cours 18, Lehigh University, 2005.. C'est le bleu du ciel. Au-delà d'environ un tiers de la longueur d'onde commence le régime de Mie : la dépendance à la couleur s'affaiblit et la lumière part surtout vers l'avant. Pour des particules beaucoup plus grandes, elle ne dépend presque plus de la couleur⁸. Des grains de quelques dixièmes de micron, du même ordre que les longueurs d'onde visibles, se trouvent dans la zone de transition.

Un brevet de 1972 montre comment la taille se traduit en blancheur⁵5Dumbaugh, Flannery, Hares, brevet US 3 681 098, Corning, 1972.. Les verres examinés contenaient deux populations de gouttelettes sphériques, d'environ 0,1 et 0,5 µm. Les échantillons les plus opaques avaient des gouttelettes moins nombreuses mais plus grosses. Un verre de référence refroidi brutalement, avant que les grains aient eu le temps de croître, restait presque transparent.

La blancheur d'un opalin n'est donc pas une dose de colorant : c'est une population de grains qui naît, grossit ou reste minuscule selon la chimie et la courbe de température. Le même brevet note que la transmission de ces verres peut aller du presque transparent à l'opaque⁵.

Bleuté de côté, orangé en transparence : l'opalescence

Quand les grains sont assez petits pour trier les couleurs, le verre en prend deux. Un cours de verres optiques de Lehigh University le décrit : un bloc de verre contenant de petites particules, traversé par un faisceau blanc, peut paraître bleuté vu de côté, tandis que la lumière qui ressort dans l'axe est rougeâtre, privée du bleu diffusé en route⁸8R. M. Almeida, cours 18, Lehigh University, 2005..

Les amateurs de verre d'art connaissent l'effet : la Carder Steuben Glass Association décrit un verre opalescent bleu et presque opaque vu à angle droit de la lumière, plus transparent et orangé vu face à la source¹¹11R. Bly, Scattering Light: Tyndall Effect, 2013.. Les « reflets bleuâtres » du dictionnaire viennent de là.

Un dôme d'éclairage cherche en général l'inverse : un blanc dense et neutre. Les brevets parlent d'un aspect blanc laiteux, dense et uniforme⁴4Boyd et al., brevet US 4 080 215, Corning, 1978., sans effet nacré⁵5Dumbaugh, Flannery, Hares, brevet US 3 681 098, Corning, 1972.. Si un globe paraît bleuté éteint et chaud allumé, la diffusion sélective peut y être pour quelque chose, mais la couleur de l'ampoule aussi ; l'œil seul ne fait pas la part des deux.

Fluor, phosphate, étain : les opacifiants

Le verrier met dans le mélange un opacifiant, dissous dans le verre en fusion, qui se sépare au refroidissement.

Les fluorures dominent l'industrie. Un brevet Corning les présente comme les opacifiants les plus courants, le plus souvent le fluorure de sodium ou de calcium, à côté de phases de borate ou de phosphate qui ne se mélangent pas au verre³3Flannery et al., brevet US 4 298 390, Corning, 1981.. Le verre d'art de la fin du XIX^e siècle employait aussi des cendres d'os et de l'arsenic, ou de la cryolithe du Groenland¹⁰10Corning Museum of Glass, Opalescent glass.. L'arsenic n'a pas disparu : un brevet de 1972 cite son oxyde parmi les additifs qui doublent ou triplent l'opacité⁵5Dumbaugh, Flannery, Hares, brevet US 3 681 098, Corning, 1972..

L'oxyde d'étain a la plus longue histoire de la liste : une revue scientifique décrit des verres blancs opacifiés par ses particules dans l'Europe du haut Moyen Âge¹²12M. Matin, Archaeological and Anthropological Sciences, 2019.. Le récit de l'opaline comme objet, de Venise aux dômes modernes, se trouve dans notre article sur la lampe en opaline ; on s'en tient ici à la matière.

Le fluor a ses défauts. Un brevet de Saint-Gobain Emballage, de 1996, le décrit comme l'élément qui fait germer les microcristaux, mais le remplace en partie par de l'oxyde de phosphore, les verres précédents résistant mal à l'eau⁶6Fosse, Avisse, brevet US 6 001 754, Saint-Gobain Emballage, 1999..

Opalin, dépoli, plaqué : trois façons de troubler un verre

Le verre dépoli est un verre clair dont on a attaqué la surface. Edmund Optics, fabricant de composants optiques, décrit le sablage : un abrasif creuse de petites cavités qui diffusent la lumière, et plus le grain est gros, plus la diffusion est forte et la transmission faible¹³13Edmund Optics, Ground glass and opal glass diffusers.. La masse reste transparente.

Le verre opalin dans la masse porte ses grains dans toute l'épaisseur : la lumière y est diffusée à chaque millimètre parcouru.

Le verre plaqué opale superpose une couche d'opalin, souvent fine, à un verre clair. Le Corning Museum of Glass décrit deux gestes. Le doublage applique une très fine couche d'un verre sur un autre en trempant la masse chaude dans un creuset du second¹⁴14Corning Museum of Glass, Flashing.. Le placage, plus épais, superpose deux cueillages ou souffle un verre dans une ébauche de l'autre, puis gonfle l'ensemble¹⁵15Corning Museum of Glass, Casing..

Le procédé est courant en éclairage. Un atelier britannique de verre soufflé indique travailler l'opalin, l'opalin plaqué et un opalin en trois couches pour ses luminaires¹⁶16John Moncrieff Ltd, Blown glass: opal glass.. Edmund Optics note qu'un verre plaqué d'opale diffuse plus efficacement qu'un dépoli, au prix d'une perte de lumière notable¹³13Edmund Optics, Ground glass and opal glass diffusers.. Tout l'arbitrage du verre d'éclairage est là : plus il diffuse, plus il retient.

Du four au dôme : souffler, mouler, presser, recuire

Un dôme commence par un cueillage : une masse de verre en fusion prise au bout d'une canne, tube de fer ou d'acier de quatre à cinq pieds, soit 1,20 à 1,50 m¹⁷17Corning Museum of Glass, Gather, Blowpipe.. Ensuite, trois chemins. Le soufflage libre, où la forme naît du souffle et de l'outil. Le soufflage en moule, où la paraison gonflée épouse la paroi du moule et son décor¹⁸18Corning Museum of Glass, Mold blowing, Pressed glass. : des côtes régulières peuvent venir de là. Le pressage, enfin, où un poinçon écrase le verre dans un moule métallique ; l'intérieur prend alors la forme du poinçon, indépendante de l'extérieur, alors qu'un verre soufflé en moule a un intérieur qui suit l'extérieur¹⁸.

Pour un opalin, le moment où naissent les grains compte autant que la forme. Dans un opalin dit spontané, la phase diffusante se sépare pendant le refroidissement et le façonnage ; dans un opalin à réchauffe, l'objet sort presque clair et ne blanchit qu'après un second passage au four³3Flannery et al., brevet US 4 298 390, Corning, 1981.. Le brevet de 1972 visait un verre qui blanchisse très vite pendant le soufflage ou le pressage, et reste dense en paroi fine⁵5Dumbaugh, Flannery, Hares, brevet US 3 681 098, Corning, 1972.. Le verre opalescent du XIX^e siècle jouait de la réchauffe : soufflé dans un moule à relief puis réchauffé, il ne blanchissait que sur les reliefs¹⁰10Corning Museum of Glass, Opalescent glass..

Reste la recuisson. Un verre refroidi trop vite garde des tensions et peut casser en refroidissant ou plus tard, au moindre choc mécanique ou thermique. On le refroidit donc lentement dans une arche de recuisson, où il passe plusieurs heures avant d'être ramené uniformément à la température ambiante¹⁹19Corning Museum of Glass, Annealing, Lehr..

Notre lampe Button montre ce que permet le verre travaillé d'un seul tenant : façonnée d'une seule pièce, un chapeau bombé prolongé par un pied évasé, sans joint ni vis, sur une fine base chromée. La lumière traverse la même matière du sommet du chapeau jusqu'au pied.

Pourquoi un dôme opalin rend la source regardable

Tout ce travail sert à changer la taille apparente de la source. Ce qui éblouit, c'est la luminance, la lumière envoyée vers l'œil par unité de surface apparente ; notre article sur les unités de la lumière la détaille. Une ampoule nue concentre sa lumière sur une petite surface. Un dôme opalin la reprend et la redistribue sur toute sa paroi, qui devient la source visible.

L'ANSES donne environ un million de candelas par mètre carré pour une ampoule à incandescence claire, 50 000 pour la même dépolie. Elle rappelle qu'en intérieur, au-delà de 10 000 cd/m² dans le champ de vision, l'éblouissement d'inconfort est admis comme certain, et qu'aucune source artificielle ne se regarde confortablement sans un système optique qui la filtre ou la masque²⁰20ANSES, rapport d'expertise « LED », 2010, p. 68.. Un dôme opalin est l'un de ces systèmes.

La contrepartie est connue : une part de la lumière repart vers l'intérieur. Un brevet Saint-Gobain sur des verres opalins vise une transmission à travers la paroi supérieure à 10 % et, de préférence, inférieure à 80 %⁶6Fosse, Avisse, brevet US 6 001 754, Saint-Gobain Emballage, 1999.. Un dôme opalin n'est pas fait pour concentrer la lumière sur un livre, mais pour éclairer sans montrer la source.

Nos lampes en verre opalin le montrent. La Button, en blanc opalin ou en orange vif, diffuse une lumière chaude et égale, sans éblouir. L'Oslo pose un large dôme en verre opalin, finement côtelé, sur une tige en noyer et un socle en laiton brossé. La collection des lampes champignon rassemble d'autres dômes, dans d'autres matières.

Questions fréquentes

Le verre opalin est-il peint ou teinté en blanc ?

Non. Sa matrice est un verre transparent ; le blanc vient de particules dispersées dans la masse, d'indice différent, qui dévient la lumière³. Un verre plaqué porte cette couche opaline sur une partie de l'épaisseur, mais c'est toujours du verre¹⁴.

Quelle différence entre verre opalin et verre dépoli ?

Le dépoli est un verre clair dont seule la surface, sablée ou attaquée, diffuse. L'opalin diffuse dans son épaisseur : il étale mieux la lumière, mais en retient davantage¹³.

Pourquoi un verre opalin paraît-il parfois bleuté ?

Des particules très petites devant la longueur d'onde diffusent davantage le bleu que le rouge : vu de côté, le verre paraît bleuté, et la lumière qui le traverse tire vers l'orangé⁸. Des grains plus gros donnent un blanc plus neutre⁷.

Un dôme opalin réduit-il la lumière d'une lampe ?

Oui, en partie : le verre opalin diffuse mieux qu'un dépoli, avec une perte notable¹³. En échange, la luminance baisse fortement et la source ne se voit plus en point brillant²⁰.