Fotonski kristali so se sčasoma oblikovali v starorimskem steklu – Svet fizike

Fotonski kristali so se sčasoma oblikovali v starorimskem steklu – Svet fizike

Časovni žig: 23. oktober 2023 4:00

Prepoznavna mavrična patina na starorimskem steklenem fragmentu izvira iz fotonske kristalne strukture, ki se je skozi čas naravno oblikovala v materialu
Fotonski kristal: ta vzorec rimskega stekla je v centru Istituto Italiano di Tecnologia v Benetkah. (Z dovoljenjem: CCHT-IIT/Narodni arheološki muzej Ogleja/italijansko ministrstvo za kulturo)

Značilna mavrična patina na starorimskem steklenem fragmentu izvira iz fotonske kristalne strukture, ki se je skozi čas naravno oblikovala v materialu, pravijo raziskovalci v Italiji in ZDA. Nenavaden kristal vsebuje izmenjujoče se plasti slojev silicijevega dioksida z visoko in nizko gostoto, ki spominjajo na reflektorje, znane kot Braggovi nizi, zaradi njihove prisotnosti pa površina fragmenta sije kot zlato ogledalo. Poleg razkrivanja nanometrskih značilnosti starodavnega stekla je odkritje primer naravno nanoizdelane kompleksne fotonske arhitekture – nekaj, kar bi lahko navdihnilo nove strategije za proizvodnjo različnih sestav stekla z umetnim staranjem.

Starodavni stekleni artefakti imajo pogosto mavrične patine, ki nastanejo postopoma zaradi korozije. Ta naravni proces vključuje delce silicijevega dioksida v steklu, ki se večkrat raztopijo in ponovno izločijo. Končna sestava in struktura patine sta odvisni od dveh dejavnikov: reakcije med prvotnimi sestavinami v steklu in kemikalijami v z vodo obremenjeni zemlji ter pH vode. Te reakcije prestrukturirajo steklo v nanometrske do mikronske debele plasti ali lamele, ki jih tvorijo nanodelci z redno izmenično gostoto pakiranja. Prav te lamele dajejo patini sijaj.

V svoji študiji so Giulia Guidetti Univerze Tufts Silklab in Roberta Zanini in Giulia Franceschin pri Center za tehnologijo kulturne dediščine (CCHT) Italijanskega inštituta za tehnologijo odločil za analizo fragmenta rimskega stekla, najdenega v bližini starodavnega mesta Oglej, ki je približno 100 km severovzhodno od Benetk. Zahvaljujoč kemičnim analizam, pridobljenim z lasersko ablacijsko masno spektroskopijo, so potrdili, da je bilo steklo izdelano iz silicijevega dioksida, natrijevega apna (kar je značilno za steklo, proizvedeno v rimskem imperiju), in datirali vzorec med prvim stoletjem pred našim štetjem in prvim stoletjem našega štetja. . Nato so z optično in elektronsko mikroskopijo opredelili sestavo milimetrske patine in ugotovili, da močno sveti in odbija svetlobo v širokem razponu valovnih dolžin.

Braggovi nizi z visoko odsevnostjo

Raziskovalci pravijo, da te lastnosti izvirajo iz nizov visoko urejenih nanostrukturiranih domen v patini, ki se posamično obnašajo kot Braggovi nizi z visoko odbojnostjo. Skupno obnašanje teh domen pomeni, da se je prvotno amorfni material preoblikoval v dobro organizirane fotonske kristale z dolgotrajnimi korozijskimi procesi in samosestavljanjem nanodelcev silicijevega dioksida v steklu. Res je, razen patine, glavnina stekla ostane v prvotni obliki in je temno zelene barve.

"Izjemno je, da je tako sofisticirana nanostruktura, nekaj, za kar raziskovalci fotonike in inženirji porabijo veliko časa in truda za izdelavo v čistih prostorih, nastala tako, da je bila tisoče let zakopana v zemlji," pravi. Fiorenzo Omenetto, inženir biomehanike in vodja Silklab. »Znanstveno gledano je ta proces korozije lahko navdih za drugačen pristop pri gojenju 'strukturnih barv' in ogledal, seveda pod pogojem, da je bila transformacija stekla znatno pospešena.«

Predvsem pa izpostavlja »veselje ob tako nepričakovanem odkritju. Ta vzorec se je dobesedno lesketal na polici in pritegnil našo pozornost, ko smo šli mimo.”

Raziskovalci, ki poročajo o svojem delu v PNAS, zdaj delajo na identifikaciji drugih starodavnih steklenih artefaktov s podobnimi lastnostmi. "Medtem ko so mavrične patine na starodavnem steklu razmeroma pogoste, je ta fragment, označen kot fotonski kristal, edinstven primer," je direktor CCHT Arianna Traviglia pove Svet fizike. "Naš cilj je nadaljnje preučevanje tega pojava in razumevanje okoljskih pogojev, ki olajšajo njegov pojav."

Časovni žig:

Več od Svet fizike