Wetenschappers ontdekken nanofabricage van fotonische kristallen op begraven oud Romeins glas

Zo’n 2000 jaar geleden tuimelde in het oude Rome glazen vaten met wijn of water, of misschien exotische parfums, van een tafel op een marktplaats en vielen op straat in stukken. Naarmate de eeuwen verstreken, werden de fragmenten bedekt door lagen stof en aarde en blootgesteld aan een voortdurende cyclus van veranderingen in temperatuur, vocht en omringende mineralen.

Nu worden deze kleine stukjes glas blootgelegd op bouwplaatsen en archeologische opgravingen en onthullen dat ze iets buitengewoons zijn. Op hun oppervlak bevindt zich een mozaïek van iriserende kleuren blauw, groen en oranje, waarvan sommige glinsterende goudkleurige spiegels vertonen.

Deze prachtige glazen artefacten worden vaak in sieraden gezet als hangers of oorbellen, terwijl grotere, completere objecten in musea worden tentoongesteld.

Voor Fiorenzo Omenetto en Giulia Guidetti, hoogleraren techniek aan het Tufts University Silklab en experts in materiaalkunde, is het fascinerend hoe de moleculen in het glas zich gedurende duizenden jaren hebben herschikt en gerecombineerd met mineralen om zogenaamde fotonische kristallen te vormen: geordende arrangementen van atomen die licht op zeer specifieke manieren filteren en reflecteren.

Fotonische kristallen hebben veel toepassingen in de moderne technologie. Ze kunnen worden gebruikt om golfgeleiders, optische schakelaars en andere apparaten te maken voor zeer snelle optische communicatie in computers en via internet. Omdat ze kunnen worden ontworpen om bepaalde golflengten van licht te blokkeren terwijl andere worden doorgelaten, worden ze gebruikt in filters, lasers, spiegels en anti-reflectie (stealth) apparaten.

Uit een onderzoek gepubliceerd in de Proceeding van de National Academy of Sciences (PNAS)Omenetto, Guidetti en medewerkers rapporteren over de unieke atomaire en minerale structuren die zijn opgebouwd uit de oorspronkelijke silicaat- en minerale bestanddelen van het glas, gemoduleerd door de pH van de omgeving en de fluctuerende niveaus van grondwater in de bodem.

Het project begon bij toeval tijdens een bezoek aan het Centrum voor Cultureel Erfgoedtechnologie van het Italiaanse Instituut voor Technologie (IIT). “Dit prachtige sprankelende stuk glas op de plank trok onze aandacht”, zei Omenetto. “Het was een fragment Romeins glas dat werd teruggevonden in de buurt van de oude stad Aquileia, Italië.” Arianna Traviglia, directeur van het Centrum, zei dat haar team het liefkozend het ‘wow-glas’ noemde. Ze besloten het van dichterbij te bekijken.

De onderzoekers realiseerden zich al snel dat waar ze naar keken de natuurlijke nanofabricage van fotonische kristallen was. “Het is echt opmerkelijk dat je glas hebt dat al twee millennia in de modder zit en je uiteindelijk iets krijgt dat een schoolvoorbeeld is van een nanofotonische component”, zegt Omenetto.

Corrosie en wederopbouw

Chemische analyse door het IIT-team dateerde het glasfragment tussen de 1e eeuw voor Christus en de 1e eeuw na Christus, met oorsprong uit het zand van Egypte – een indicatie van de toenmalige wereldhandel. Het grootste deel van het fragment behield zijn oorspronkelijke donkergroene kleur, maar op het oppervlak zat een millimeterdikke patina met een bijna perfecte spiegelachtige gouden reflectie.

Omenetto en Guidetti gebruikten een nieuw soort scanning-elektronenmicroscoop die niet alleen de structuur van het materiaal onthult, maar ook een elementaire analyse mogelijk maakt. “In principe is het een instrument dat je met hoge resolutie kan vertellen waar het materiaal van gemaakt is en hoe de elementen in elkaar zitten”, aldus Guidetti.

Ze konden zien dat de patina een hiërarchische structuur bezat die bestond uit zeer regelmatige, micrometer dikke silicalagen met afwisselend hoge en lage dichtheid, die leken op reflectoren die bekend staan ​​als Bragg-stapels. Elke Bragg-stapel reflecteerde sterk verschillende, relatief smalle golflengten van licht. Het verticaal stapelen van tientallen Bragg-stapels resulteerde in het gouden spiegelbeeld van de patina.

Hoe is deze structuur in de loop van de tijd ontstaan? De onderzoekers suggereren een mogelijk mechanisme dat zich eeuwenlang geduldig heeft afgespeeld. “Dit is waarschijnlijk een proces van corrosie en wederopbouw”, zei Guidetti.

“De omringende klei en regen bepaalden de diffusie van mineralen en een cyclische corrosie van de silica in het glas. Tegelijkertijd vond de assemblage van 100 nanometer dikke lagen die de silica en mineralen combineerden ook in cycli plaats. Het resultaat is een ongelooflijk geordende opstelling van honderden lagen kristallijn materiaal.”

“Hoewel de ouderdom van het glas misschien een deel van zijn charme is, zouden we in dit geval, als we het proces in het laboratorium aanzienlijk zouden kunnen versnellen, een manier kunnen vinden om optische materialen te laten groeien in plaats van ze te produceren,” voegde Omenetto eraan toe.

Het moleculaire proces van verval en wederopbouw vertoont enkele parallellen met de stad Rome zelf. De oude Romeinen hadden een voorliefde voor het creëren van duurzame bouwwerken zoals aquaducten, wegen, amfitheaters en tempels. Veel van deze bouwwerken werden de basis van de topografie van de stad.

Door de eeuwen heen is de stad in lagen gegroeid, waarbij gebouwen zijn gestegen en gedaald als gevolg van de veranderingen die zijn veroorzaakt door oorlogen, sociale omwentelingen en het verstrijken van de tijd. In de middeleeuwen gebruikten mensen materialen uit kapotte en verlaten oude gebouwen voor nieuwbouw. In moderne tijden worden straten en gebouwen vaak direct op oude fundamenten gebouwd.

“De kristallen die op het oppervlak van het glas groeien, zijn ook een weerspiegeling van de veranderingen in de omstandigheden die zich in de grond hebben voorgedaan toen de stad zich ontwikkelde – een verslag van haar ecologische geschiedenis”, aldus Guidetti.