Fotoniske krystaller dannet over tid i gammelt romersk glas – Physics World

Fotoniske krystaller dannet over tid i gammelt romersk glas – Physics World

Tidsstempel: 23. oktober 2023 kl. 4

En karakteristisk iriserende patina på et gammelt romersk glasfragment stammer fra en fotonisk krystalstruktur, der er dannet naturligt i materialet over tid
Fotonisk krystal: denne prøve af romersk glas er i centrum af Istituto Italiano di Tecnologia i Venedig. (Med høflighed: CCHT-IIT/Aquileias nationale arkæologiske museum/det italienske kulturministerium)

En karakteristisk iriserende patina på et gammelt romersk glasfragment stammer fra en fotonisk krystalstruktur, der er dannet naturligt i materialet over tid, siger forskere i Italien og USA. Den usædvanlige krystal indeholder skiftende lag af høj- og lavdensitets-silicalag, der ligner reflektorer kendt som Bragg-stakke, og deres tilstedeværelse får fragmentets overflade til at skinne som et guldspejl. Udover at afsløre nanoskalaegenskaberne ved gammelt glas, er opdagelsen et eksempel på naturligt nanofabrikeret kompleks fotonisk arkitektur - noget, der kunne inspirere til nye strategier til at producere forskellige glassammensætninger ved kunstig ældning.

Gamle glasartefakter har ofte iriserende patinaer, der dannes gradvist ved korrosion. Denne naturlige proces indebærer, at silicapartiklerne i glasset gentagne gange opløses og genudfældes. Patinaens endelige sammensætning og struktur afhænger af to faktorer: reaktioner mellem de oprindelige bestanddele i glasset og kemikalier i den vandfyldte jord og vandets pH. Disse reaktioner omstrukturerer glasset til nanometer- til mikrontykke lag eller lameller, der er dannet af nanopartikler med regelmæssigt skiftende pakningstæthed. Det er disse lameller, der giver patinaen dens glans.

I deres undersøgelse Giulia Guidetti fra Tufts University's Silklab , Roberta Zanini , Giulia Franceschin ved Det italienske teknologiske instituts center for kulturarvsteknologi (CCHT) valgte at analysere et fragment af romersk glas fundet nær den antikke by Aquileia, som ligger omkring 100 km nordøst for Venedig. Takket være kemiske analyser opnået ved hjælp af laserablationsmassespektroskopi bekræftede de, at glasset var lavet af silica-soda-kalk (som er typisk for glas produceret i det romerske imperium) og daterede prøven til mellem det første århundrede fvt og det første århundrede e.Kr. . De brugte derefter optisk mikroskopi og elektronmikroskopi til at karakterisere sammensætningen af ​​den millimetertykke patina og fandt ud af, at den skinner klart og reflekterer lys over en bred vifte af bølgelængder.

Bragg-stabler med høj reflektivitet

Forskerne siger, at disse egenskaber kommer fra stakke af højt ordnede nanostrukturerede domæner i patinaen, der individuelt opfører sig som højreflekterende Bragg-stabler. Den kollektive adfærd af disse domæner indebærer, at det oprindeligt amorfe materiale er omdannet til velorganiserede fotoniske krystaller gennem langsigtede korrosionsprocesser og selvsamling af silica-nanopartiklerne i glasset. Bortset fra patinaen forbliver størstedelen af ​​glasset i sin oprindelige form og er mørkegrøn i farven.

"Det er bemærkelsesværdigt, at en så sofistikeret nanostruktur, noget som fotonikforskere og ingeniører bruger meget tid og kræfter på at fremstille i rene rum, har dannet ved at være begravet i jord i tusinder af år," siger Fiorenzo Omenetto, biomekanisk ingeniør og leder af Silklab. "Videnskabeligt set kan denne korrosionsproces være en inspiration til en anden tilgang til at dyrke 'strukturelle farver' og spejle, forudsat at glastransformationen naturligvis blev væsentligt accelereret."

Frem for alt fremhæver han dog "glæden ved at gøre sådan en uventet opdagelse. Denne prøve var bogstaveligt talt funklende på en hylde og tiltrak vores opmærksomhed, da vi gik forbi."

Forskerne, der rapporterer deres arbejde i PNAS, arbejder nu på at identificere andre gamle glasartefakter med lignende egenskaber. "Mens iriserende patinaer på gammelt glas er relativt almindelige, præsenterer dette særlige fragment, karakteriseret som en fotonisk krystal, et unikt tilfælde," CCHT-direktør Ariadne Traviglia fortæller Fysik verden. "Vores mål er at studere dette fænomen yderligere og forstå de miljømæssige forhold, der letter dets forekomst."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden