ผลึกโฟโตนิกก่อตัวขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปในแก้วโรมันโบราณ - โลกฟิสิกส์

ผลึกโฟโตนิกก่อตัวขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปในแก้วโรมันโบราณ - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 23 ตุลาคม 2023 4:00 น.

คราบสีรุ้งอันโดดเด่นบนชิ้นส่วนแก้วโรมันโบราณมีต้นกำเนิดจากโครงสร้างผลึกโฟโตนิกที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติภายในวัสดุเมื่อเวลาผ่านไป
โฟโตนิกคริสตัล: แก้วโรมันตัวอย่างนี้อยู่ที่ศูนย์กลางของ Istituto Italiano di Tecnologia ในเมืองเวนิส (เอื้อเฟื้อโดย: CCHT-IIT/พิพิธภัณฑ์โบราณคดีแห่งชาติ Aquileia/กระทรวงวัฒนธรรมของอิตาลี)

นักวิจัยในอิตาลีและสหรัฐอเมริกากล่าวว่าคราบสีรุ้งที่โดดเด่นบนชิ้นส่วนแก้วโรมันโบราณนั้นเกิดจากโครงสร้างคริสตัลโฟโตนิกที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติภายในวัสดุเมื่อเวลาผ่านไป ผลึกที่ผิดปกติประกอบด้วยชั้นซิลิกาความหนาแน่นสูงและชั้นสลับกันซึ่งมีลักษณะคล้ายกับตัวสะท้อนแสงที่เรียกว่า Bragg stacks และการมีอยู่ของพวกมันทำให้พื้นผิวของชิ้นส่วนนั้นเปล่งประกายราวกับกระจกสีทอง นอกจากจะเผยให้เห็นคุณลักษณะระดับนาโนของแก้วโบราณแล้ว การค้นพบนี้ยังเป็นตัวอย่างของสถาปัตยกรรมโฟโตนิกที่ซับซ้อนด้วยการผลิตนาโนโดยธรรมชาติ ซึ่งเป็นสิ่งที่สามารถสร้างแรงบันดาลใจให้กับกลยุทธ์ใหม่ในการผลิตส่วนประกอบของแก้วที่แตกต่างกันโดยการทำให้พวกมันมีอายุมากขึ้น

สิ่งประดิษฐ์จากแก้วโบราณมักมีคราบสีรุ้งที่ค่อยๆ ก่อตัวขึ้นจากการกัดกร่อน กระบวนการทางธรรมชาตินี้เกี่ยวข้องกับอนุภาคซิลิกาในแก้วที่ละลายและตกตะกอนซ้ำหลายครั้ง องค์ประกอบและโครงสร้างขั้นสุดท้ายของคราบนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยสองประการ ได้แก่ ปฏิกิริยาระหว่างองค์ประกอบดั้งเดิมในแก้วกับสารเคมีในดินที่มีน้ำขัง และค่า pH ของน้ำ ปฏิกิริยาเหล่านี้ปรับโครงสร้างกระจกให้เป็นชั้นที่มีความหนานาโนเมตรถึงไมครอน หรือที่เรียกว่า lamellae ซึ่งเกิดขึ้นจากอนุภาคนาโนที่มีความหนาแน่นของการบรรจุสลับกันเป็นประจำ ลาเมลลาเหล่านี้เองที่ทำให้คราบมันเงางาม

ในการศึกษาของพวกเขา จูเลีย กุยเดตติ ของมหาวิทยาลัยทัฟส์ ซิลแล็บ และ โรเบอร์ตา ซานินี และ จูเลีย ฟรานเชสชิน ที่ ศูนย์เทคโนโลยีมรดกทางวัฒนธรรมของสถาบันเทคโนโลยีแห่งอิตาลี (CCHT) เลือกที่จะวิเคราะห์เศษแก้วโรมันที่ถูกค้นพบใกล้กับเมืองโบราณอาควิเลอา ซึ่งอยู่ห่างจากเวนิสไปทางตะวันออกเฉียงเหนือประมาณ 100 กม. จากการวิเคราะห์ทางเคมีที่ได้รับโดยใช้สเปกโตรสโคปีมวลทำลายด้วยเลเซอร์ พวกเขายืนยันว่าแก้วนี้ทำจากซิลิกา-โซดา-ไลม์ (ซึ่งเป็นเรื่องปกติของแก้วที่ผลิตในจักรวรรดิโรมัน) และลงวันที่ตัวอย่างระหว่างศตวรรษแรกก่อนคริสตศักราชถึงศตวรรษแรกสากลศักราช . จากนั้นพวกเขาใช้กล้องจุลทรรศน์แบบออพติคัลและอิเล็กตรอนเพื่อระบุลักษณะของคราบหนามิลลิเมตร และพบว่ามีความสว่างสดใสและสะท้อนแสงในช่วงความยาวคลื่นที่กว้าง

แผ่น Bragg ที่มีการสะท้อนแสงสูง

นักวิจัยกล่าวว่าคุณสมบัติเหล่านี้มาจากสแต็กของโดเมนที่มีโครงสร้างนาโนที่มีลำดับสูงในคราบที่แต่ละอันมีพฤติกรรมเหมือนสแต็ค Bragg ที่มีการสะท้อนแสงสูง พฤติกรรมโดยรวมของโดเมนเหล่านี้บอกเป็นนัยว่าวัสดุอสัณฐานเดิมได้เปลี่ยนเป็นผลึกโฟโตนิกที่มีการจัดระเบียบอย่างดีผ่านกระบวนการกัดกร่อนในระยะยาวและการประกอบตัวเองของอนุภาคนาโนซิลิกาในแก้ว นอกเหนือจากคราบแล้ว แก้วส่วนใหญ่ยังคงรูปแบบดั้งเดิมและมีสีเขียวเข้ม

“เป็นเรื่องน่าทึ่งที่โครงสร้างนาโนที่ซับซ้อนดังกล่าว ซึ่งเป็นสิ่งที่นักวิจัยและวิศวกรด้านโฟโตนิกส์ใช้เวลาและความพยายามอย่างมากในการผลิตในห้องสะอาด ได้ก่อตัวขึ้นโดยการฝังอยู่ในดินเป็นเวลาหลายพันปี” กล่าว ฟิออเรนโซ โอเมเนตโต้, วิศวกรชีวกลศาสตร์ และหัวหน้าภาควิชา ซิลแล็บ. “ตามหลักวิทยาศาสตร์แล้ว กระบวนการกัดกร่อนนี้อาจเป็นแรงบันดาลใจสำหรับแนวทางที่แตกต่างในการสร้าง 'สีโครงสร้าง' และกระจก โดยแน่นอนว่าการเปลี่ยนรูปของแก้วจะต้องเร่งให้เร็วขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ”

เหนือสิ่งอื่นใด เขาเน้นย้ำว่า “ความสุขที่ได้ค้นพบสิ่งที่ไม่คาดคิดเช่นนี้ ตัวอย่างนี้แวววาวบนชั้นวางอย่างแท้จริง และดึงดูดความสนใจของเราเมื่อเราเดินผ่าน”

นักวิจัยที่รายงานผลงานของพวกเขาใน PNASขณะนี้กำลังทำงานเพื่อระบุสิ่งประดิษฐ์เครื่องแก้วโบราณอื่นๆ ที่มีลักษณะคล้ายคลึงกัน “แม้ว่าคราบสีรุ้งบนกระจกโบราณจะพบเห็นได้ทั่วไป แต่ชิ้นส่วนเฉพาะนี้ซึ่งมีลักษณะเป็นคริสตัลโฟโตนิก กลับนำเสนอกรณีพิเศษ” ผู้อำนวยการ CCHT อาเรียนนา ทราวิเลีย บอก โลกฟิสิกส์. “วัตถุประสงค์ของเราคือเพื่อศึกษาปรากฏการณ์นี้เพิ่มเติมและทำความเข้าใจสภาพแวดล้อมที่เอื้อให้เกิดปรากฏการณ์นี้”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์