För cirka 2 000 år sedan i det antika Rom ramlar glaskärl med vin eller vatten, eller kanske en exotisk parfym, från ett bord på en marknadsplats och splittras i stycken på gatan. Allteftersom århundraden gick täcktes fragmenten av lager av damm och jord och utsattes för en kontinuerlig cykel av förändringar i temperatur, fukt och omgivande mineraler.
Nu avslöjas dessa små glasbitar från byggarbetsplatser och arkeologiska utgrävningar och visar sig vara något extraordinärt. På deras yta finns en mosaik av iriserande färger av blått, grönt och orange, med några som visar skimrande guldfärgade speglar.
Dessa vackra glasartefakter är ofta insatta i smycken som hängen eller örhängen, medan större, mer kompletta föremål visas på museer.
För Fiorenzo Omenetto och Giulia Guidetti, professorer i teknik vid Tufts University Silklab och experter inom materialvetenskap, är det fascinerande hur molekylerna i glaset omarrangeras och rekombineras med mineraler under tusentals år för att bilda vad som kallas fotoniska kristaller – ordnade arrangemang av atomer som filtrerar och reflekterar ljus på mycket specifika sätt.
Fotoniska kristaller har många tillämpningar inom modern teknik. De kan användas för att skapa vågledare, optiska switchar och andra enheter för mycket snabb optisk kommunikation i datorer och över internet. Eftersom de kan konstrueras för att blockera vissa våglängder av ljus samtidigt som de tillåter andra att passera, används de i filter, lasrar, speglar och antireflekterande (smygande) enheter.
I en studie publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , Omenetto, Guidetti och medarbetare rapporterar om de unika atom- och mineralstrukturer som byggts upp från glasets ursprungliga silikat- och mineralbeståndsdelar, modulerade av pH i den omgivande miljön och de fluktuerande nivåerna av grundvatten i marken.
Projektet startade av en slump under ett besök på det italienska tekniska institutets (IIT) Center for Cultural Heritage Technology. "Denna vackra gnistrande glasbit på hyllan väckte vår uppmärksamhet", sa Omenetto. "Det var ett fragment av romerskt glas som återfanns nära den antika staden Aquileia Italien." Arianna Traviglia, chef för centret, sa att hennes team hänvisade till det kärleksfullt som "wow-glaset". De bestämde sig för att ta en närmare titt.
Forskarna insåg snart att det de tittade på var nanotillverkning av fotoniska kristaller av naturen. "Det är verkligen anmärkningsvärt att du har glas som har legat i leran i två årtusenden och du får något som är ett läroboksexempel på en nanofotonisk komponent", sa Omenetto.
Kemisk analys från IIT-teamet daterade glasfragmentet till mellan 1:a århundradet f.Kr. och 1:a århundradet f.Kr., med ursprung från Egyptens sand – en indikation på global handel vid den tiden. Huvuddelen av fragmentet bevarade sin ursprungliga mörkgröna färg, men på dess yta fanns en millimetertjock patina som hade en nästan perfekt spegelliknande guldreflektion.
Omenetto och Guidetti använde en ny typ av svepelektronmikroskop som inte bara avslöjar materialets struktur, utan också ger en elementaranalys. "I grund och botten är det ett instrument som med hög upplösning kan berätta vad materialet är gjort av och hur elementen är sammansatta", sa Guidetti.
De kunde se att patinan hade en hierarkisk struktur bestående av mycket regelbundna, mikrometertjocka kiseldioxidlager med omväxlande hög och låg densitet som liknade reflektorer kända som Bragg-stackar. Varje Bragg-stack reflekterade starkt olika, relativt smala våglängder av ljus. Den vertikala staplingen av tiotals Bragg-staplar resulterade i patinans gyllene spegel.
Hur uppstod denna struktur över tiden? Forskarna föreslår en möjlig mekanism som utspelade sig tålmodigt under århundraden. "Det här är sannolikt en process av korrosion och återuppbyggnad," sa Guidetti.
"Den omgivande leran och regnet bestämde diffusionen av mineraler och en cyklisk korrosion av kiseldioxiden i glaset. Samtidigt skedde montering av 100 nanometer tjocka lager som kombinerar kiseldioxiden och mineralerna i cykler. Resultatet är en otroligt ordnad arrangemang av hundratals lager av kristallint material."
"Medan glasets ålder kan vara en del av dess charm, i det här fallet, om vi avsevärt kunde påskynda processen i laboratoriet, kan vi hitta ett sätt att odla optiska material snarare än att tillverka dem," tillade Omenetto.
Den molekylära processen av förfall och återuppbyggnad har vissa paralleller till själva staden Rom. De gamla romarna hade en förkärlek för att skapa långvariga strukturer som akvedukter, vägar, amfiteatrar och tempel. Många av dessa strukturer blev grunden för stadens topografi.
Under århundradena sedan dess har staden växt i lager, med byggnader som reser sig och faller med förändringarna som krig, sociala omvälvningar och tidens gång orsakat. Under medeltiden använde man material från trasiga och övergivna gamla byggnader för nybyggnation. I modern tid byggs ofta gator och byggnader direkt ovanpå gamla grunder.
"Kristallerna som odlas på glasets yta är också en återspegling av de förändringar i förhållandena som inträffade i marken när staden utvecklades - en uppteckning över dess miljöhistoria," sa Guidetti.
Mer information: Guidetti, Giulia et al, Fotoniska kristaller byggda av tiden i antikt romerskt glas, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2311583120. doi.org/10.1073/pnas.2311583120
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Tufts University
