Римское стекло раскрывает природные нанотехнологии

На шумных улицах Древнего Рима стеклянный сосуд, наполненный вином, водой или, возможно, редкими духами, разбивается вдребезги. С течением веков эти забытые осколки, взаимодействуя с окружающей средой, претерпевают удивительные метаморфозы.

Найденные на современных строительных площадках и при исторических раскопках, эти фрагменты удивляют археологов яркой мозаикой переливающихся оттенков – голубых, зеленых, оранжевых и даже с золотыми отблесками. Сегодня эти завораживающие остатки часто находят место в музейных экспозициях или становятся частью уникальных ювелирных украшений.

Наука, скрывающаяся за мерцанием

Для специалистов в области материаловедения, профессоров Фьоренцо Оменетто и Джулии Гуидетти из лаборатории Silklab Университета Тафтса, привлекательность заключается в том, чтобы понять, каким изменениям подверглись эти осколки. Со временем природа перестроила молекулы внутри стекла, взаимодействуя с присутствующими в нем минералами, что привело к образованию фотонных кристаллов. Эти атомарно упорядоченные структуры обладают уникальной способностью манипулировать светом.

Фотонные кристаллы, найденные в этих вековых фрагментах, играют важную роль в современных технологиях. Их способность контролировать путь света – от волноводов до оптических переключателей – повышает скорость работы Интернета и компьютеров. Фильтруя или отражая свет определенной длины волны, эти кристаллы используются в лазерах, зеркалах и даже в технологиях невидимости, поверка на дому счетчиков воды.

Путь этого исследования начался неожиданно в Центре технологий культурного наследия при Итальянском технологическом институте. В поле зрения Оменетто попал светящийся фрагмент – реликвия из древнего города Аквилея. При ближайшем рассмотрении они определили, что это нанофотонный компонент природного происхождения.

Расшифровка слоев

Вышедшие из песков Египта, эти стеклянные изделия свидетельствуют о древних мировых торговых путях. Хотя их сердцевина сохранила первоначальный темно-зеленый оттенок, на поверхности образовалась мерцающая золотая патина. Используя современные сканирующие электронные микроскопы, Оменетто и Гвидетти расшифровали сложную слоистость патины, уподобив ее стекам Брэгга – многослойным отражателям, известным своими манипуляциями со светом.

Каков же был природный рецепт превращения этих стеклянных фрагментов? Исследователи предполагают, что это был тщательный цикл деградации и реформации. Под влиянием глины, дождя и колебаний содержания минералов кремнезем в стекле периодически подвергался коррозии. Одновременно происходила многократная тонкослойная сборка кремнезема и минералов, в результате чего образовывалась блестящая упорядоченная кристаллическая конструкция, наблюдаемая сегодня.

Понимая этот естественный процесс образования, команда считает, что его можно быстрее воспроизвести в лабораторных условиях, предлагая более органичный подход к созданию оптических материалов.

Путешествие этих стеклянных осколков отражает историю самого Рима. Город, известный своими долговечными инфраструктурами, такими как дороги и акведуки, на протяжении тысячелетий претерпевал изменения. Точно так же и эти осколки, взаимодействуя с окружающей средой, рассказывают историю изменения окружающей среды во времени.