Kryształy fotoniczne powstały z biegiem czasu w starożytnym rzymskim szkle – Świat Fizyki

Kryształy fotoniczne powstały z biegiem czasu w starożytnym rzymskim szkle – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 23 października 2023 4:00

Charakterystyczna opalizująca patyna na fragmencie starożytnego rzymskiego szkła wynika ze struktury kryształu fotonicznego, która z biegiem czasu naturalnie utworzyła się w materiale
Kryształ fotoniczny: ta próbka rzymskiego szkła znajduje się w Centrum Istituto Italiano di Tecnologia w Wenecji. (Dzięki uprzejmości: CCHT-IIT/Narodowe Muzeum Archeologiczne w Akwilei/Włoskie Ministerstwo Kultury)

Charakterystyczna opalizująca patyna na fragmencie starożytnego rzymskiego szkła wynika ze struktury kryształu fotonicznego, która z biegiem czasu utworzyła się naturalnie w materiale – twierdzą naukowcy z Włoch i USA. Niezwykły kryształ zawiera naprzemienne warstwy krzemionki o dużej i małej gęstości, które przypominają reflektory zwane stosami Bragga, a ich obecność sprawia, że ​​powierzchnia fragmentu świeci jak złote lustro. Odkrycie to nie tylko ujawniło cechy starożytnego szkła w skali nano, ale także stanowi przykład złożonej architektury fotonicznej wykonanej w naturalny sposób z nanowłókien – czegoś, co może zainspirować nowe strategie wytwarzania różnych składów szkła poprzez sztuczne starzenie.

Starożytne artefakty szklane często mają opalizującą patynę, która tworzy się stopniowo w wyniku korozji. Ten naturalny proces polega na wielokrotnym rozpuszczaniu i wytrącaniu cząstek krzemionki w szkle. Ostateczny skład i struktura patyny zależy od dwóch czynników: reakcji pomiędzy pierwotnymi składnikami szkła i substancjami chemicznymi w zalanej wodą glebie oraz od pH wody. Reakcje te powodują restrukturyzację szkła w warstwy o grubości od nanometrów do mikronów, czyli lamele, które są utworzone przez nanocząstki o regularnie zmieniającej się gęstości upakowania. To właśnie te lamele nadają patynie połysk.

W swoich badaniach Giulii Guidetti Uniwersytetu Tufts Silklab i Roberta Zanini i Giulia Franceschin na Centrum Technologii Dziedzictwa Kulturowego Włoskiego Instytutu Technologii (CCHT) postanowili przeanalizować fragment rzymskiego szkła odzyskany w pobliżu starożytnego miasta Akwilei, położonego około 100 km na północny wschód od Wenecji. Dzięki analizom chemicznym uzyskanym za pomocą spektroskopii mas z ablacją laserową potwierdzili, że szkło zostało wykonane z krzemionki, sodowo-wapniowej (co jest typowe dla szkła produkowanego w Cesarstwie Rzymskim) i datowali próbkę na okres od I wieku p.n.e. do I wieku n.e. . Następnie za pomocą mikroskopii optycznej i elektronowej scharakteryzowali skład patyny o grubości milimetra i odkryli, że świeci ona jasno i odbija światło w szerokim zakresie długości fal.

Stosy Bragga o wysokim współczynniku odbicia

Naukowcy twierdzą, że te właściwości wynikają ze stosów wysoce uporządkowanych nanostrukturalnych domen w patynie, które indywidualnie zachowują się jak stosy Bragga o wysokim współczynniku odbicia. Zbiorowe zachowanie tych domen sugeruje, że pierwotnie amorficzny materiał przekształcił się w dobrze zorganizowane kryształy fotoniczne w wyniku długotrwałych procesów korozji i samoorganizacji nanocząstek krzemionki w szkle. Rzeczywiście, poza patyną, większość szkła pozostaje w swojej pierwotnej formie i ma ciemnozielony kolor.

„To niezwykłe, że tak wyrafinowana nanostruktura – coś, czego badacze i inżynierowie zajmujący się fotoniką spędzają wiele czasu i wysiłku na wytwarzaniu w czystych pomieszczeniach – powstała w wyniku zakopywania w glebie przez tysiące lat” – mówi Fiorenza Omenetta, inżynier biomechanik i kierownik ds Silklab. „Z naukowego punktu widzenia ten proces korozji może być inspiracją do innego podejścia do hodowli „kolorów strukturalnych” i luster, oczywiście pod warunkiem, że przemiana szkła zostanie znacznie przyspieszona”.

Przede wszystkim jednak podkreśla „radość z dokonania tak nieoczekiwanego odkrycia. Ta próbka dosłownie błyszczała na półce i przyciągnęła naszą uwagę, gdy przechodziliśmy obok”.

Badacze, którzy zgłaszają swoją pracę w: PNAS, pracują obecnie nad identyfikacją innych starożytnych artefaktów szklanych o podobnych cechach. „Chociaż opalizujące patyny na starożytnym szkle są stosunkowo powszechne, ten konkretny fragment, charakteryzujący się kryształem fotonicznym, stanowi wyjątkowy przypadek” – dyrektor CCHT Ariadna Traviglia mówi Świat Fizyki. „Naszym celem jest dalsze badanie tego zjawiska i zrozumienie warunków środowiskowych, które ułatwiają jego występowanie”.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki