Древнеримское «ослепительное стекло» содержит фотонно-кристаллическую тиару, формировавшуюся веками — Ars Technica

Природа – лучший производитель нанотехнологий. Последним свидетельством этого является необычный кусок древнеримского стекла (получившего название «ослепительное стекло»), имеющего тонкое золотистое покрытие. Осколки римского стекла характеризуются переливающимися цветами синего, зеленого и оранжевого цвета и являются результатом процесса коррозии, который медленно меняет структуру стекла, превращая его в… Фотонные кристаллыПо словам ученых, мерцающий зеркальный золотой блеск этой раковины является редким примером необычных оптических свойств. Новая бумага Опубликовано в Трудах Национальной академии наук.

Это еще один пример естественной структурной окраски. Как упоминалось ранее, яркие переливающиеся цвета крыльев бабочек, мыльных пузырей, опалов или панцирей жуков возникают не из-за каких-либо молекул пигмента, а из-за их структуры, что происходит естественным образом. Фотонные кристаллы. В природе, например, панцири хитина (распространенный полисахарид насекомых) устроены как черепица. В основном они образуют Дифракционная решеткаЗа исключением того, что фотонные кристаллы производят только определенные цвета или длины волн света, тогда как дифракционная решетка воспроизводит весь спектр, как призма.

Фотонные кристаллы, также известные как материалы с фотонной запрещенной зоной, являются «перестраиваемыми», то есть они точно устроены так, чтобы блокировать определенные длины волн света, позволяя другим проходить сквозь них. Измените структуру, изменив размер плиток, и кристаллы станут чувствительны к другой длине волны. Они используются в оптической связи в качестве волноводов и переключателей, а также в фильтрах, лазерах, зеркалах и многих скрытых просветляющих устройствах.

Ученые могут создавать свои собственные цветные конструкционные материалы в лаборатории, но масштабировать этот процесс для коммерческого применения без ущерба для оптической точности может быть сложно. Поэтому создание структурных цветов, подобных тем, которые встречаются в природе, является активной областью исследования материалов. Например, ранее в этом году ученые из Кембриджского университета развитый Новый инновационный растительный слой становится прохладнее под воздействием солнечного света, что делает его идеальным для охлаждения будущих зданий или автомобилей без необходимости использования какого-либо внешнего источника энергии. Создаваемые пленки красочны, но структурно окрашены в виде нанокристаллов, а не за счет добавления пигментов или красителей.

В прошлом году ученые Массачусетского технологического института модифицировали голографическую технику XIX века, изобретенную физиком Габриэлем Липпманном, для создания пленок, похожих на хамелеонов, которые меняют цвет при растяжении. Эти пленки были бы идеальными для изготовления повязок, которые меняют цвет в ответ на давление, позволяя медицинскому персоналу знать, не слишком ли плотно они перевязывают рану — важный фактор при лечении таких заболеваний, как венозные язвы, пролежни, лимфедема и рубцы. Детям понравится носить меняющие цвет повязки, и они станут отличным подарком педиатрам. Возможность изготовления больших листов материала открывает возможности его применения в производстве одежды и спортивной одежды.

Фиоренцо Оминито, ученый-материаловед из Университета Тафтса, который был соавтором новой статьи, обнаружил уникальный фрагмент во время посещения Технологического центра культурного наследия Итальянского технологического института и решил, что он достоин дальнейшего научного изучения. «Этот красивый кусок стекла, сверкающий на полке, привлек наше внимание» Уминето сказал. «Это был кусок римского стекла, найденный недалеко от древнего города Аквилеи в Италии». Директор центра назвал его «ослепительным стеклом».

Аквилея была основана римлянами в 181 г. до н.э. первоначально как военный форпост, но вскоре она процветала как центр торговли, в том числе коваными металлами, балтийским янтарем, вином и древним стеклом. «Обнаружение деревянной бочки с 11 000 осколков стекла на месте затонувшего римского корабля в морской воде недалеко от Аквилеи демонстрирует ведущее положение города в обмене и переработке переработанного стекла на торговых путях», — пишут авторы. Ко II веку нашей эры, на пике своего развития, население города составляло 100 000 человек. Его состояние ухудшилось после того, как он был разграблен Аттилой и гуннами в 452 году, а затем снова лангобардами в 590 году. Сегодня население города составляет всего около 3500 человек, но он остается важным археологическим памятником.

Археологи обнаружили «ослепительное стекло» в верхнем слое почвы сельскохозяйственного поля во время полевых исследований в 2012 году — вероятно, вынесенное на поверхность благодаря недавней вспашке — и сразу же были поражены его характерным разноцветным внешним видом. Одновременно было собрано около 780 кусков стекла, но они имели переливающийся цвет слоновой кости, характерный для древнеримского стекла. Хотя этот панцирь был в целом темно-зеленым, он был покрыт золотой патиной толщиной в миллиметр, которая по своим отражающим свойствам была почти зеркальной. Чтобы узнать больше, Оминито и его коллеги подвергли оболочку как оптической микроскопии, так и новому типу сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), которая выявляет не только структуру материала с нанометровым разрешением, но и его элементный состав.

Химический анализ датировал стекло периодом между первым веком до нашей эры и первым веком нашей эры. Был обнаружен высокий уровень титана, что указывает на то, что песок, использованный для изготовления стекла, был египетского происхождения и обычно содержит больше примесей. Что касается темно-зеленого цвета, который до сих пор присутствует в большей части изделия, то авторы указывают, что это связано с наличием железа. Примерно до середины II века нашей эры римское стекло изготавливалось либо из необработанного левантийского сирийского стекла, изготовленного из относительно чистого песка, что приводило к черному/фиолетовому цвету, либо из стекла с высоким содержанием магния, изготовленного из нечистого песка, богатого железом и добавками. растительной золы, чтобы придать ей темно-зеленый цвет. Это согласуется с новым анализом «ослепительного стекла».

СЭМ-анализ выявил точную иерархическую структуру, формирующую так называемые «брэгговские стопки» — по сути, одномерные фотонные кристаллы, характеризующиеся чередующимися слоями материалов с высоким и низким показателем преломления, которые вызывают структурный цвет. В идеальной стопке Брэгга слои имеют одинаковую толщину. Но в «ослепительном стекле» один слой был толще и плотнее другого, что придавало ему прохладный металлический вид. В частности, каждая стопка винтов отражала свет разной узкой длины волны, а сочетание десятков из них вместе создавало на корпусе золотой слой с высокой отражающей способностью.

Это свидетельство того, что фрагмент стекла образовался в результате «химического изменения кремнезема, вызванного pH, которое не накладывает таких же строгих физических ограничений, как в естественных животных системах», пишут исследователи. В соответствии с В Оминито, Если они смогут найти способ ускорить этот процесс, чтобы создание такого артефакта не заняло столетия, «мы могли бы найти способ выращивать оптические материалы вместо их производства».

«Вероятно, это процесс эрозии и восстановления». сказала соавтор Джулия Гуидетти, также в Тафтсе. «Окружающая глина и дождь обусловили диффузию минералов и периодическую эрозию кремнезема в стекле. В то же время были собраны слои толщиной 100 нанометров, циклически соединяющие кремнезем и минералы. Результатом является невероятно упорядоченное расположение. Сотен слоев кристаллического материала Кристаллы, растущие на поверхности Стеклянная посуда также является отражением изменений условий, произошедших на земле по мере развития города, записью его экологической истории.

дои: ПНАС, 2023. 10.1073/пнас.2311583120 (О цифровых удостоверениях личности).