Forskere opdager nanofabrikation af fotoniske krystaller på begravet gammelt romersk glas

For omkring 2.000 år siden i det gamle Rom vælter glasbeholdere med vin eller vand, eller måske en eksotisk parfume, fra et bord på en markedsplads og går i stykker på gaden. Som århundreder gik, blev fragmenterne dækket af lag af støv og jord og udsat for en kontinuerlig cyklus af ændringer i temperatur, fugt og omgivende mineraler.

Nu bliver disse bittesmå stykker glas afsløret fra byggepladser og arkæologiske udgravninger og viser sig at være noget ekstraordinært. På deres overflade er en mosaik af iriserende farver af blå, grøn og orange, hvor nogle viser glitrende guldfarvede spejle.

Disse smukke glasartefakter er ofte sat i smykker som vedhæng eller øreringe, mens større, mere komplette genstande vises på museer.

For Fiorenzo Omenetto og Giulia Guidetti, professorer i ingeniørvidenskab ved Tufts University Silklab og eksperter i materialevidenskab, er det fascinerende, hvordan molekylerne i glasset omarrangeres og rekombineres med mineraler gennem tusinder af år for at danne det, der kaldes fotoniske krystaller – ordnede arrangementer af atomer, der filtrerer og reflekterer lys på meget specifikke måder.

Fotoniske krystaller har mange anvendelser i moderne teknologi. De kan bruges til at skabe bølgeledere, optiske switche og andre enheder til meget hurtig optisk kommunikation i computere og over internettet. Da de kan konstrueres til at blokere visse bølgelængder af lys, mens de tillader andre at passere, bruges de i filtre, lasere, spejle og anti-refleksion (stealth) enheder.

I en undersøgelse offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , Omenetto, Guidetti og samarbejdspartnere rapporterer om de unikke atomare og mineralske strukturer, der er bygget op af glassets originale silikat- og mineralbestanddele, moduleret af pH i det omgivende miljø og de fluktuerende niveauer af grundvand i jorden.

Projektet startede tilfældigt under et besøg på det italienske teknologiske institut (IIT) Center for Cultural Heritage Technology. "Dette smukke funklende stykke glas på hylden tiltrak vores opmærksomhed," sagde Omenetto. "Det var et fragment af romersk glas fundet nær den antikke by Aquileia Italien." Arianna Traviglia, direktør for centret, sagde, at hendes team kærligt omtalte det som "wow-glasset". De besluttede at kigge nærmere.

Forskerne indså hurtigt, at det, de så på, var nanofabrikation af fotoniske krystaller af naturen. "Det er virkelig bemærkelsesværdigt, at du har glas, der har siddet i mudderet i to årtusinder, og du ender med noget, der er et lærebogseksempel på en nanofotonisk komponent," sagde Omenetto.

Korrosion og genopbygning

Kemisk analyse fra IIT-holdet daterede glasfragmentet til mellem det 1. århundrede f.Kr. og det 1. århundrede e.Kr., med oprindelse fra Egyptens sand - en indikation af global handel på det tidspunkt. Størstedelen af ​​fragmentet bevarede sin oprindelige mørkegrønne farve, men på overfladen var der en millimetertyk patina, der havde en næsten perfekt spejllignende guldrefleksion.

Omenetto og Guidetti brugte en ny slags scanningselektronmikroskop, der ikke kun afslører materialets struktur, men også giver en elementær analyse. "Dybest set er det et instrument, der med høj opløsning kan fortælle dig, hvad materialet er lavet af, og hvordan elementerne er sat sammen," sagde Guidetti.

De kunne se, at patinaen havde en hierarkisk struktur bestående af meget regelmæssige, mikrometertykke silicalag med skiftevis høj og lav tæthed, som lignede reflektorer kendt som Bragg-stabler. Hver Bragg-stabel reflekterede stærkt forskellige, relativt smalle bølgelængder af lys. Den lodrette stabling af snesevis af Bragg-stabler resulterede i patinaens gyldne spejl.

Hvordan opstod denne struktur over tid? Forskerne foreslår en mulig mekanisme, der udspillede sig tålmodigt gennem århundreder. "Dette er sandsynligvis en proces med korrosion og genopbygning," sagde Guidetti.

"Det omgivende ler og regnen bestemte diffusionen af ​​mineraler og en cyklisk korrosion af silicaen i glasset. Samtidig skete samling af 100 nanometer tykke lag, der kombinerede silica og mineraler, også i cyklusser. Resultatet er en utrolig ordnet arrangement af hundredvis af lag af krystallinsk materiale."

"Selvom glassets alder kan være en del af dets charme, i dette tilfælde, hvis vi kunne accelerere processen markant i laboratoriet, kunne vi finde en måde at dyrke optiske materialer i stedet for at fremstille dem," tilføjede Omenetto.

Den molekylære proces med forfald og genopbygning har nogle paralleller til selve byen Rom. De gamle romere havde en forkærlighed for at skabe langtidsholdbare strukturer som akvædukter, veje, amfiteatre og templer. Mange af disse strukturer blev grundlaget for byens topografi.

I løbet af århundrederne siden er byen vokset i lag, med bygninger, der rejser sig og falder med de forandringer, som krige, sociale omvæltninger og tidens gang har medført. I middelalderen brugte folk materialer fra ødelagte og forladte gamle bygninger til nybyggeri. I moderne tid er gader og bygninger ofte bygget direkte oven på ældgamle fundamenter.

"Krystallerne, der vokser på overfladen af ​​glasset, er også en afspejling af de ændringer i forholdene, der skete i jorden, efterhånden som byen udviklede sig - en optegnelse over dens miljøhistorie," sagde Guidetti.

Flere oplysninger: Guidetti, Giulia et al., Fotoniske krystaller bygget af tiden i gammelt romersk glas, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2311583120. doi.org/10.1073/pnas.2311583120

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af Tufts University