Преди около 2000 години в Древен Рим стъклени съдове с вино или вода, а може би и с екзотични парфюми, са паднали и се разбили на парчета на улицата. С течение на вековете парчетата се покриват със слоеве прах и почва, както и се подлагат на непрекъснат цикъл от промени в температурата, влагата и околните минерали.
Сега тези миниатюрни парчета стъкло са откривани на строителни площадки и археологически разкопки и разкриват нещо необикновено. На повърхността им има мозайка от преливащи се цветове на синьо, зелено и оранжево, както и блестящи огледални повърхности с цвят на злато.
Тези красиви стъклени артефакти често се поставят в бижута като висулки или обеци, а по-големите, по-цялостни предмети се излагат в музеите.
За Фиоренцо Оменето (Fiorenzo Omenetto) и Джулия Гуидети (Giulia Guidetti), професори по инженерство в Silklab на Университета "Тъфтс" и експерти в областта на материалознанието, очарователното е как молекулите в стъклото са се пренареждали и рекомбинирали с минерали в продължение на хиляди години, за да образуват така наречените фотонни кристали - подредени композиции от атоми, които филтрират и отразяват светлината по много специфични начини.
Фотонните кристали имат много приложения в съвременните технологии. Те могат да се използват за създаване на вълноводи, оптични превключватели и други устройства за много бързи оптични комуникации в компютрите и в интернет. Тъй като могат да бъдат конструирани така, че да блокират определени дължини на вълните на светлината, като същевременно позволяват преминаването на други, те се използват във филтри, лазери, огледала и устройства против отразяване (стелт).
Римска издухана стъклена купа от 1-ви век от западното гробище на Аоста, Северна Италия. Кредит: Археологически музей, Аоста
В изследването, публикувано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Оменето, Гуидети и колегите им съобщават за уникалните атомни и минерални структури, изградени от първоначалните силикатни и минерални съставки на стъклото, модулирани от рН на околната среда и от колебанията на нивата на подпочвените води в почвата.
Проектът започва случайно по време на посещение в Центъра за технологии за културно наследство на Италианския технологичен институт (IIT).
"Това красиво искрящо парче стъкло на рафта привлече вниманието ни", разказва Оменето. "То бе фрагмент от римско стъкло, намерено близо до древния град Аквилея в Италия".
Изследователите скоро разбрали, че това, което гледат, е нанопроизводство на фотонни кристали от природата.
"Наистина е забележително, че притежаваме стъкло, което седи в калта в продължение на две хилядолетия, и накрая получаваме нещо, което е учебникарски пример за нанофотонен компонент", коментира Оменето.
Корозия и реконструкция
Химическият анализ на екипа на IIT датира стъкления фрагмент от периода между I в. пр.н.е. и I в. сл.н.е., с произход от пясъците на Египет - индикация за глобална търговия по това време. По-голямата част от фрагмента е запазила оригиналния си тъмнозелен цвят, но по повърхността му има патина с дебелина милиметър, която има почти перфектно огледално златно отражение.
Оменето и Гуидети използват нов вид сканиращ електронен микроскоп, който не само разкрива структурата на материала, но и осигурява анализ на елементите.
"По принцип това е инструмент, който може да покаже с висока разделителна способност от какво е направен материалът и как са събрани елементите", разказва Гуидети.
Те могат да видят, че патината притежава йерархична структура, съставена от силно подредени слоеве от силициев диоксид с микрометрична дебелина и редуваща се висока и ниска плътност, които наподобяват рефлектори, известни като стекове на Браг. Всеки от тях отразява силно различни, сравнително тесни дължини на вълните на светлината. Вертикалното подреждане на десетки стекове на Брагг води до златисто-огледалния вид на патината.
Силно правилни, нанометрови дебели силициеви слоеве, образуващи метална патина върху фрагмент от римско стъкло. Кредит: Silklab, Tufts University
Как се е формирала тази структура с течение на времето?
Изследователите предлагат възможен механизъм, който се е развивал търпеливо в продължение на векове.
"Това вероятно е процес на корозия и реконструкция", отбелязва Гуидети.
"Заобикалящата глина и дъждът са определили дифузията на минерали и цикличната корозия на силициевия диоксид в стъклото. В същото време сглобяването на слоеве с дебелина 100 нанометра, съчетаващи силициев диоксид и минерали, също е протичало циклично. Резултатът е невероятно подредена подредба на стотици слоеве от кристален материал."
"Макар че възрастта на стъклото може да е част от неговия чар, в този случай, ако успеем значително да ускорим процеса в лабораторни условия, бихме могли да намерим начин да отглеждаме оптични материали, вместо да ги произвеждаме", допълва Оменето.
Молекулярният процес на разпадане и възстановяване има някои паралели със самия град Рим. Древните римляни са имали склонност да създават дълговечни конструкции като акведукти, пътища, амфитеатри и храмове. Много от тези съоръжения се превръщат в основа на топографията на града.
През вековете след това градът се разраства на пластове, като сградите се издигат и срутват с промените, предизвикани от войните, социалните катаклизми и течението на времето. През Средновековието хората използват материали от разрушени и изоставени древни сгради за ново строителство. В днешно време улиците и сградите често се строят директно върху древните основи.
"Кристалите, израснали по повърхността на стъклото, са също така отражение на промените в условията, които са настъпили в земята с развитието на града - запис на неговата екологична история", посочва Гуидети.
Справка: Guidetti, Giulia et al, Photonic crystals built by time in ancient Roman glass, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2311583120. doi.org/10.1073/pnas.2311583120
Източник: Scientists discover nanofabrication of photonic crystals on buried ancient Roman glass, Tufts University
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари