Az eltemetett ókori római üvegekből fotonikus kristályok keletkeztek, állítják a tudósok

A tudósok felfedezték, hogy az ókori római üvegek furcsa típusú kristályt képeztek, amely meglepő módon megtöri a fényt. A római időkből szá...

A tudósok felfedezték, hogy az ókori római üvegek furcsa típusú kristályt képeztek, amely meglepő módon megtöri a fényt.

A római időkből származó régészeti üvegtöredékek elemzése után a tudósok rájöttek, hogy természetesen kialakult fotonikus kristályokat figyeltek meg - periodikus optikai struktúrákat, amelyek képesek szabályozni a fény áramlását.

Mintegy 2000 évvel ezelőtt az ókori Rómában bort vagy vizet, esetleg egzotikus parfümöket szállító üvegedények estek le egy asztalról a piacon, és darabokra törtek az utcán. Az évszázadok múlásával a töredékeket por- és talajrétegek borították, és a hőmérséklet, a nedvesség és a környező ásványi anyagok folyamatos változásának voltak kitéve.

Most ezeket az apró üvegdarabokat építkezéseken és régészeti ásatásokon fedezik fel, és valami rendkívüli dolog derül ki róluk. Felületükön irizáló kék, zöld és narancssárga színű mozaik található, néhányuk csillogó arany színű tükröket jelenít meg.

Ezeket a gyönyörű üvegtárgyakat gyakran ékszerekbe helyezik medálként vagy fülbevalóként, míg a nagyobb, teljesebb tárgyakat múzeumokban mutatják be.

Fiorenzo Omenetto és Giulia Guidetti, a Tufts University Silklab mérnökprofesszorai és az anyagtudomány szakértői számára az a lenyűgöző, ahogyan az üvegben lévő molekulák átrendeződtek és újrakombinálódtak az ásványokkal az évezredek során, hogy úgynevezett fotonikus kristályokat alkossanak - az atomok szabályos elrendezését, amelyek nagyon specifikus módon szűrik és verik vissza a fényt.

A fotonikus kristályoknak számos alkalmazása van a modern technológiában. Használhatók hullámvezetők, optikai kapcsolók és egyéb eszközök létrehozására a nagyon gyors optikai kommunikációhoz számítógépeken és az interneten keresztül. Mivel úgy tervezhetők, hogy blokkolják a fény bizonyos hullámhosszait, míg másokat átengednek, szűrőkben, lézerekben, tükrökben és tükröződésgátló (lopakodó) eszközökben használják őket.

A PNAS folyóiratban megjelent tanulmányban Omenetto, Guidetti és munkatársai beszámolnak az üveg eredeti szilikát- és ásványi összetevőiből felépülő egyedi atomi és ásványi szerkezetekről, amelyeket a környezet pH-ja és a talajban lévő talajvíz ingadozó szintje modulált. (1)

A projekt véletlenül indult az Olasz Technológiai Intézet (IIT) Kulturális Örökség Technológiai Központjában tett látogatás során.

"Ez a gyönyörű, csillogó üvegdarab a polcon felkeltette a figyelmünket," - mondta Omenetto. "Ez egy római üvegtöredék volt, amelyet az olaszországi Aquileia ősi városa közelében fedeztek fel." Arianna Traviglia, a központ igazgatója elmondta, hogy csapatával úgy döntöttek, hogy közelebbről megvizsgálják.

A kutatók hamarosan rájöttek, hogy amit vizsgálnak, azok természetesen létrejött fotonikus kristályok. "Igazán figyelemre méltó, hogy van egy üveg, amely két évezreden át pihen a földben, és végül valami olyasmit kapunk, ami tankönyvi példája a nanofotonikus komponensnek," - mondta Omenetto.

Korrózió és rekonstrukció

Az IIT csapatának kémiai elemzése az üvegtöredéket az i.e. 1. század és az i.sz. 1. század közé datálta, egyiptomi homokból származik, és az akkori globális kereskedelemre utal. A töredék nagy része megőrizte eredeti sötétzöld színét, de felületén milliméter vastag patina volt, amely szinte tökéletes tükörszerű visszaverődéssel rendelkezett.

Omenetto és Guidetti egy újfajta pásztázó elektronmikroszkópot használt, amely nemcsak feltárja az anyag szerkezetét, hanem mélyebb elemzést is nyújt.

"Alapvetően ez egy olyan eszköz, amely nagy felbontással meg tudja mondani, hogy miből áll az anyag, és hogyan állnak össze az elemek," - mondta Guidetti.

Láthatták, hogy a patina hierarchikus szerkezettel rendelkezik, amely rendkívül szabályos, mikrométer vastag, váltakozó nagy és alacsony sűrűségű szilícium-dioxid rétegekből áll, amelyek Bragg-kötegekként ismert reflektorokra hasonlítanak. Mindegyik Bragg-köteg erősen visszaverte a fény különböző, viszonylag keskeny hullámhosszait. A több tíz Bragg-halom függőleges egymásra rakása a patina arany tükör megjelenését eredményezte.

Hogyan alakult ki ez a szerkezet az idő múlásával? A kutatók egy lehetséges mechanizmust javasolnak, amely lejátszódott az évszázadok során.

"Ez valószínűleg korróziós és rekonstrukciós folyamat," - mondta Guidetti. "A környező agyag és eső meghatározta az ásványi anyagok diffúzióját és az üvegben lévő szilícium-dioxid ciklikus korrózióját. Ugyanakkor a szilícium-dioxidot és az ásványi anyagokat kombináló 100 nanométer vastag rétegek összeállítása is ciklusokban történt. Az eredmény több száz réteg kristályos anyag hihetetlenül szabályos elrendezése."

"Bár az üveg kora része lehet a varázsának, ebben az esetben, ha jelentősen fel tudnánk gyorsítani a laboratóriumi folyamatot, megtalálnánk a módját az optikai anyagok termesztésének a gyártásuk helyett," - tette hozzá Omenetto.

A bomlás és az újjáépítés molekuláris folyamata párhuzamot mutat Róma városával. Az ókori rómaiak előszeretettel hoztak létre tartós szerkezeteket, például vízvezetékeket, utakat, amfiteátrumokat és templomokat. Ezek közül a struktúrák közül sok a város topográfiájának alapja lett.

Az azóta eltelt évszázadok során a város rétegekben nőtt, az épületek emelkedtek és süllyedtek a háborúk, társadalmi felfordulások és az idő múlása által okozott változásokkal. A középkorban az emberek a tönkrement és elhagyott ősi épületekből származó anyagokat használták az újak építéséhez. A modern időkben az utcákat és az épületeket gyakran közvetlenül az ősi alapok tetejére építik.

"Az üveg felületén létrejött kristályok tükrözik a talajban a város fejlődése során bekövetkezett változásokat is - a környezet történetének feljegyzését," - mondta Guidetti. (2)

(1) - https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas
(2) - https://www.messagetoeagle.com/roman