Οι ερευνητές αποκαλύπτουν τη διαδικασία με την οποία αιώνες διάβρωσης και κρυστάλλωσης σχημάτισαν φωτονικούς κρυστάλλους.
Πριν από περίπου 2.000 χρόνια στην αρχαία Ρώμη, γυάλινα δοχεία γεμάτα με κρασί, νερό ή πιθανώς εξωτικά αρώματα, έπεσαν από ένα τραπέζι της αγοράς, σπάζοντας σε αμέτρητα κομμάτια στο έδαφος. Κατά τη διάρκεια των επόμενων αιώνων, αυτά τα θραύσματα θάφτηκαν κάτω από στρώματα βρωμιάς και συντριμμιών και εκτέθηκαν σε έναν συνεχή κύκλο αλλαγών στη θερμοκρασία, την υγρασία και τα γύρω ορυκτά.
Τώρα αυτά τα μικροσκοπικά κομμάτια γυαλιού αποκαλύπτονται από εργοτάξια και αρχαιολογικές ανασκαφές και αποκαλύπτονται ότι είναι κάτι το εξαιρετικό. Στην επιφάνειά τους υπάρχει ένα μωσαϊκό από ιριδίζοντα χρώματα του μπλε, του πράσινου και του πορτοκαλί, με μερικά να εμφανίζουν αστραφτερούς χρυσαφί καθρέφτες.
Αυτά τα όμορφα γυάλινα αντικείμενα τοποθετούνται συχνά σε κοσμήματα ως μενταγιόν ή σκουλαρίκια, ενώ μεγαλύτερα, πιο ολοκληρωμένα αντικείμενα εκτίθενται σε μουσεία.
Φωτονικοί κρύσταλλοι και η σημασία τους
Για τους Fiorenzo Omenetto και Giulia Guidetti, καθηγητές μηχανικής στο Silklab του Πανεπιστημίου Tufts και ειδικούς στην επιστήμη των υλικών, αυτό που είναι συναρπαστικό είναι πώς τα μόρια στο γυαλί αναδιατάχθηκαν και ανασυνδυάστηκαν με ορυκτά για χιλιάδες χρόνια για να σχηματίσουν αυτό που ονομάζονται φωτονικοί κρύσταλλοι – διατεταγμένες διατάξεις άτομα που φιλτράρουν και αντανακλούν το φως με πολύ συγκεκριμένους τρόπους.
Διαβάστε επίσης: Νέος τύπος γυαλιού που είναι πιο πράσινο και 10 φορές πιο ανθεκτικό στη φθορά
Οι φωτονικοί κρύσταλλοι έχουν πολλές εφαρμογές στη σύγχρονη τεχνολογία. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία κυματοδηγών, οπτικών διακοπτών και άλλων συσκευών για πολύ γρήγορες οπτικές επικοινωνίες σε υπολογιστές και μέσω Διαδικτύου. Δεδομένου ότι μπορούν να κατασκευαστούν για να μπλοκάρουν ορισμένα μήκη κύματος φωτός ενώ επιτρέπουν σε άλλα να περάσουν, χρησιμοποιούνται σε φίλτρα, λέιζερ, καθρέφτες και αντιανακλαστικές (stealth) συσκευές.
Σε μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (PNAS) Οι ΗΠΑ, ο Omenetto, ο Guidetti και οι συνεργάτες αναφέρουν τις μοναδικές ατομικές και ορυκτές δομές που δημιουργούνται από τα αρχικά πυριτικά και ορυκτά συστατικά του γυαλιού, που διαμορφώνονται από το pH του περιβάλλοντος περιβάλλοντος και τα κυμαινόμενα επίπεδα των υπόγειων υδάτων στο έδαφος.
Ανακάλυψη του «Wow Glass»
Το έργο ξεκίνησε τυχαία κατά τη διάρκεια μιας επίσκεψης στο Κέντρο Τεχνολογίας Πολιτιστικής Κληρονομιάς του Ιταλικού Ινστιτούτου Τεχνολογίας (IIT). «Αυτό το όμορφο αστραφτερό κομμάτι γυαλιού στο ράφι τράβηξε την προσοχή μας», είπε ο Omenetto. «Ήταν ένα θραύσμα ρωμαϊκού γυαλιού που ανακαλύφθηκε κοντά στην αρχαία πόλη Aquileia της Ιταλίας». Η Arianna Traviglia, διευθύντρια του Κέντρου, είπε ότι η ομάδα της το αναφέρθηκε με στοργή ως «ουάου γυαλί». Αποφάσισαν να ρίξουν μια πιο προσεκτική ματιά.
Οι ερευνητές σύντομα συνειδητοποίησαν ότι αυτό που κοιτούσαν ήταν η νανοκατασκευή φωτονικών κρυστάλλων από τη φύση τους. «Είναι πραγματικά αξιοσημείωτο ότι έχετε γυαλί που κάθεται στη λάσπη για δύο χιλιετίες και καταλήγετε σε κάτι που είναι ένα παράδειγμα σχολικού βιβλίου ενός νανοφωτονικού συστατικού», είπε ο Omenetto.
Διάβρωση και Ανακατασκευή
Η χημική ανάλυση από την ομάδα του IIT χρονολόγησε το θραύσμα γυαλιού μεταξύ του 1αγ αιώνα π.Χ. και τον 1οαγ αιώνα μ.Χ., με προέλευση από την άμμο της Αιγύπτου – ένδειξη του παγκόσμιου εμπορίου εκείνη την εποχή. Ο κύριος όγκος του θραύσματος διατήρησε το αρχικό σκούρο πράσινο χρώμα του, αλλά στην επιφάνειά του υπήρχε μια πατίνα πάχους χιλιοστού που είχε μια σχεδόν τέλεια χρυσή αντανάκλαση σαν καθρέφτη. Οι Omenetto και Guidetti χρησιμοποίησαν ένα νέο είδος ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης που όχι μόνο αποκαλύπτει τη δομή του υλικού, αλλά παρέχει επίσης μια στοιχειακή ανάλυση.
«Βασικά είναι ένα όργανο που μπορεί να σας πει με υψηλή ανάλυση από τι είναι κατασκευασμένο το υλικό και πώς συναρμολογούνται τα στοιχεία», είπε ο Guidetti.
Μπορούσαν να δουν ότι η πατίνα διέθετε μια ιεραρχική δομή αποτελούμενη από εξαιρετικά κανονικά στρώματα πυριτίου πάχους μικρομέτρων εναλλασσόμενων υψηλής και χαμηλής πυκνότητας που έμοιαζαν με ανακλαστήρες γνωστούς ως στοίβες Bragg. Κάθε στοίβα Bragg αντανακλούσε έντονα διαφορετικά, σχετικά στενά μήκη κύματος φωτός. Η κάθετη στοίβαξη δεκάδων στοίβων Bragg είχε ως αποτέλεσμα τη χρυσή καθρέφτη εμφάνιση της πατίνας.
Πώς σχηματίστηκε αυτή η δομή με την πάροδο του χρόνου; Οι ερευνητές προτείνουν έναν πιθανό μηχανισμό που λειτουργούσε υπομονετικά επί αιώνες. «Αυτή είναι πιθανότατα μια διαδικασία διάβρωσης και ανακατασκευής», είπε ο Guidetti. «Ο γύρω πηλός και η βροχή καθόρισαν τη διάχυση των ορυκτών και μια κυκλική διάβρωση του πυριτίου στο γυαλί. Ταυτόχρονα, η συναρμολόγηση στρωμάτων πάχους 100 νανομέτρων που συνδύαζαν το πυρίτιο και τα ορυκτά συνέβη επίσης σε κύκλους. Το αποτέλεσμα είναι μια απίστευτα διατεταγμένη διάταξη εκατοντάδων στρωμάτων κρυσταλλικού υλικού».
«Ενώ η ηλικία του γυαλιού μπορεί να είναι μέρος της γοητείας του, σε αυτή την περίπτωση, αν μπορούσαμε να επιταχύνουμε σημαντικά τη διαδικασία στο εργαστήριο, θα μπορούσαμε να βρούμε έναν τρόπο να καλλιεργήσουμε οπτικά υλικά αντί να τα κατασκευάσουμε», πρόσθεσε ο Omenetto.
Ιστορικός Παραλληλισμός
Η μοριακή διαδικασία της αποσύνθεσης και της ανασυγκρότησης έχει κάποιους παραλληλισμούς με την ίδια την πόλη της Ρώμης. Οι αρχαίοι Ρωμαίοι είχαν μια τάση να δημιουργούν μακροχρόνιες κατασκευές όπως υδραγωγεία, δρόμους, αμφιθέατρα και ναούς. Πολλές από αυτές τις κατασκευές έγιναν το θεμέλιο της τοπογραφίας της πόλης.
Στο πέρασμα των αιώνων από τότε, η πόλη αναπτύχθηκε σε στρώματα, με κτίρια να ανεβαίνουν και να πέφτουν με τις αλλαγές που επέφεραν οι πόλεμοι, οι κοινωνικές ανατροπές και το πέρασμα του χρόνου. Στους μεσαιωνικούς χρόνους, οι άνθρωποι χρησιμοποιούσαν υλικά από σπασμένα και εγκαταλειμμένα αρχαία κτίρια για νέες κατασκευές. Στη σύγχρονη εποχή, οι δρόμοι και τα κτίρια χτίζονται συχνά ακριβώς πάνω σε αρχαία θεμέλια.
«Οι κρύσταλλοι που αναπτύσσονται στην επιφάνεια του γυαλιού είναι επίσης μια αντανάκλαση των αλλαγών στις συνθήκες που συνέβησαν στο έδαφος καθώς η πόλη εξελίχθηκε – μια καταγραφή της περιβαλλοντικής ιστορίας της», δήλωσε ο Guidetti.
Αναφορά: «Φωτονικοί κρύσταλλοι χτισμένοι από τον χρόνο σε αρχαίο ρωμαϊκό γυαλί» από τους Giulia Guidetti, Roberta Zanini, Giulia Franceschin, Mauro Moglianetti, Taehoon Kim, Nathaniel Cohan, Lisa Chan, John Treadgold, Arianna Traviglia και Fiorenzo G. Omenetto, 18 Σεπτεμβρίου 2023, Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών.
DOI: 10.1073/pnas.2311583120
Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε από το Γραφείο Ναυτικών Ερευνών.
Διαβάστε επίσης:
Οι επιστήμονες αναπτύσσουν απίστευτα ελαφρύ υλικό 4 φορές ισχυρότερο από τον χάλυβα
