Starożytne rzymskie „olśniewające szkło” zawiera kształtowaną na przestrzeni wieków tiarę z kryształu fotonicznego – Ars Technica

Natura jest najlepszym twórcą nano. Najnowszym dowodem na to jest niezwykły kawałek starożytnego rzymskiego szkła (nazywanego „olśniewającym szkłem”), który ma cienką powłokę w kolorze złota. Odłamki rzymskiego szkła charakteryzują się opalizującymi kolorami niebieskiego, zielonego i pomarańczowego i są wynikiem procesu korozji, który powoli odbudowuje strukturę szkła, tworząc… Kryształy fotoniczneWedług. Lśniący, lustrzany złoty połysk tej muszli jest rzadkim przykładem o niezwykłych właściwościach optycznych Nowy papier Opublikowano w Proceedings of the National Academy of Sciences.

Jest to kolejny przykład naturalnie występującego zabarwienia strukturalnego. Jak wspomniano wcześniej, jasne, opalizujące kolory skrzydeł motyli, baniek mydlanych, opali lub muszli chrząszczy nie pochodzą od cząsteczek pigmentu, ale od ich struktury, która występuje naturalnie Kryształy fotoniczne. Na przykład w naturze muszle chitynowe (powszechny polisacharyd u owadów) są ułożone jak dachówki. Zasadniczo tworzą one Siatka dyfrakcyjnaTyle że kryształy fotoniczne wytwarzają tylko określone kolory lub długości fal światła, podczas gdy siatka dyfrakcyjna wytwarzałaby całe widmo, podobnie jak pryzmat.

Kryształy fotoniczne, zwane także materiałami fotonicznym pasma wzbronionego, są „przestrajalne”, co oznacza, że ​​są precyzyjnie rozmieszczone tak, aby blokować pewne długości fal światła, jednocześnie pozwalając innym przechodzić. Zmień strukturę, zmieniając rozmiar płytek, a kryształy staną się wrażliwe na inną długość fali. Wykorzystuje się je w komunikacji optycznej jako falowody i przełączniki, a także w filtrach, laserach, zwierciadłach i wielu ukrytych urządzeniach przeciwodblaskowych.

Naukowcy mogą wytwarzać własne kolorowe materiały strukturalne w laboratorium, ale skalowanie procesu do zastosowań komercyjnych bez utraty dokładności optycznej może być trudne. Dlatego tworzenie kolorów strukturalnych na wzór tych występujących w naturze jest aktywnym obszarem badań materiałowych. Na przykład na początku tego roku naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge rozwinięty Innowacyjna nowa warstwa roślinna staje się chłodniejsza pod wpływem światła słonecznego, dzięki czemu idealnie nadaje się do chłodzenia przyszłych budynków lub samochodów bez konieczności stosowania zewnętrznego źródła zasilania. Powstałe filmy są kolorowe, ale barwione strukturalnie w postaci nanokryształów, a nie poprzez dodatek pigmentów czy pigmentów.

W zeszłym roku naukowcy z MIT zmodyfikowali XIX-wieczną technikę holograficzną wynalezioną przez fizyka Gabriela Lippmanna w celu uzyskania folii przypominających kameleona, które po rozciągnięciu zmieniają kolor. Folie te idealnie nadają się do wytwarzania bandaży, które zmieniają kolor w odpowiedzi na nacisk, dzięki czemu personel medyczny może zorientować się, czy owija ranę zbyt ciasno, co jest ważnym czynnikiem w leczeniu schorzeń, takich jak owrzodzenia żylne, odleżyny, obrzęk limfatyczny i blizny. Dzieci będą zachwycone noszeniem bandaży zmieniających kolor, co będzie doskonałym prezentem dla pediatrów. Możliwość wykonania dużych arkuszy materiału otwiera zastosowanie w odzieży i odzieży sportowej.

Fiorenzo Ominito, materiałoznawca z Tufts University, który jest współautorem nowego artykułu, odkrył unikalny fragment podczas wizyty w Centrum Technologii Dziedzictwa Kulturowego Włoskiego Instytutu Technologii i zdecydował, że zasługuje on na dalsze badania naukowe. „Naszą uwagę przykuł ten piękny, błyszczący kawałek szkła na półce.” powiedział Umineto. „Był to kawałek rzymskiego szkła znaleziony w pobliżu starożytnego miasta Akwilei we Włoszech”. Dyrektor ośrodka nazwał je „olśniewającym szkłem”.

Akwileia została założona przez Rzymian w 181 rpne, początkowo jako placówka wojskowa, ale wkrótce rozkwitła jako ośrodek handlu, obejmującym kute metale, bursztyn bałtycki, wino i starożytne szkło. „Odkrycie drewnianej beczki zawierającej 11 000 kawałków szkła we wraku rzymskiego statku w wodzie morskiej u wybrzeży Akwilei pokazuje wiodącą pozycję miasta w wymianie i przetwarzaniu szkła pochodzącego z recyklingu na szlakach handlowych” – napisali autorzy. W II wieku naszej ery, w szczytowym okresie, miasto liczyło 100 000 mieszkańców. Jego losy podupadły po splądrowaniu go przez Attylę i Hunów w 452 r., a następnie ponownie przez Longobardów w 590 r. Obecnie miasto liczy zaledwie około 3500 mieszkańców, ale pozostaje ważnym stanowiskiem archeologicznym.

Podczas badań terenowych w 2012 r. archeolodzy znaleźli „olśniewające szkło” na wierzchniej warstwie gleby pola uprawnego — prawdopodobnie wydobyte na powierzchnię w wyniku niedawnej orki — i od razu uderzył ich charakterystyczny wielobarwny wygląd. W tym samym czasie zebrano około 780 kawałków szkła, ale te miały opalizującą kość słoniową, typową dla starożytnego rzymskiego szkła. Chociaż skorupa ta była ogólnie ciemnozielona, ​​była pokryta złotą patyną o grubości milimetra, która pod względem właściwości odblaskowych przypominała lustro. Aby dowiedzieć się więcej, Ominito i jego współpracownicy poddali powłokę zarówno mikroskopii optycznej, jak i nowemu typowi skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), która ujawniła nie tylko strukturę materiału z rozdzielczością nanometrową, ale także jego skład pierwiastkowy.

Analiza chemiczna datowała szkło na okres od I wieku p.n.e. do I wieku naszej ery. Stwierdzono wysoką zawartość tytanu, co wskazywało, że piasek używany do produkcji szkła był pochodzenia egipskiego i zwykle zawierał więcej zanieczyszczeń. Jeśli chodzi o ciemnozielony kolor, który nadal występuje w większości dzieła, autorzy wskazują, że jest to spowodowane obecnością żelaza. Do około połowy II wieku n.e. szkło rzymskie wytwarzano albo z surowego lewantyńskiego szkła syryjskiego, wytwarzanego ze stosunkowo czystego piasku – co dawało czarno-fioletowy kolor – albo ze szkła wysokomagnezowego wykonanego z zanieczyszczonego piasku bogatego w żelazo i dodatki. popiołu roślinnego, aby nadać mu ciemnozielony kolor. Jest to zgodne z nową analizą dotyczącą „olśniewającego szkła”.

Analiza SEM ujawniła precyzyjny układ hierarchiczny tworzący tak zwane „stosy Bragga” – zasadniczo jednowymiarowe kryształy fotoniczne charakteryzujące się naprzemiennymi warstwami materiałów o wysokim i niskim współczynniku załamania światła, które dają kolor strukturalny. W idealnym stosie Bragga warstwy mają tę samą grubość. Ale jedna warstwa była grubsza i gęstsza niż druga w „olśniewającym szkle”, co nadało jej chłodny, metaliczny wygląd. W szczególności każdy stos śrub odbijał inną wąską długość fali światła, a ułożenie ich razem dziesiątek utworzyło na obudowie wysoce odblaskową złotą warstwę.

Stanowi to dowód na to, że fragment szkła powstał w wyniku „chemicznej zmiany krzemionki pod wpływem pH, która nie nakłada tak rygorystycznych ograniczeń fizycznych, jak występujące w naturalnych organizmach zwierzęcych” – napisali naukowcy. Według Do Ominito, Jeśli uda im się znaleźć sposób na przyspieszenie tego procesu, tak aby utworzenie takiego artefaktu nie wymagało stuleci, „możemy znaleźć sposób na hodowlę materiałów optycznych zamiast ich wytwarzania”.

„Jest to prawdopodobnie proces erozji i odbudowy”. powiedziała współautorka Giulia Guidetti, także w Tufts. „Otaczająca glina i deszcz zdeterminowały dyfuzję minerałów i okresową erozję krzemionki w szkle. Jednocześnie zebrano także warstwy o grubości 100 nanometrów, które cyklicznie łączą krzemionkę i minerały. Rezultatem jest niesamowicie uporządkowany układ z setek warstw krystalicznego materiału Kryształy wyrastające na powierzchni Wyroby szklane są także odzwierciedleniem zmian warunków, jakie zaszły na lądzie w miarę rozwoju miasta, zapisem jego historii środowiskowej.

PNAS, 2023. DOI: 10.1073/pnas.2311583120 (O identyfikatorach cyfrowych).