Starověké římské „oslňující sklo“ obsahuje fotonický krystal diadém tvarovaný po staletí – Ars Technica

Příroda je konečným tvůrcem nanotechnologií. Nejnovějším důkazem je neobvyklý kus starověkého římského skla (nazývaného „oslňující sklo“), který má tenký povlak zlaté barvy. Římské skleněné střepy jsou charakteristické svými duhovými barvami modré, zelené a oranžové a jsou výsledkem procesu koroze, který pomalu restrukturalizuje sklo, aby vytvořilo… Fotonické krystalyTřpytivý, zrcadlový zlatý lesk této skořápky je vzácným příkladem s neobvyklými optickými vlastnostmi, tvrdí Nový papír Publikováno v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.

Je to další příklad přirozeně se vyskytujícího strukturálního zbarvení. Jak již bylo zmíněno dříve, jasné duhové barvy v motýlích křídlech, mýdlových bublinách, opálech nebo krunýřích brouků nepocházejí z žádných molekul pigmentu, ale z toho, jak jsou strukturovány, což se přirozeně vyskytuje. Fotonické krystaly. V přírodě jsou například chitinové schránky (běžný polysacharid u hmyzu) uspořádány jako střešní tašky. V zásadě tvoří a Difrakční mřížkaAž na to, že fotonické krystaly produkují pouze určité barvy nebo vlnové délky světla, zatímco difrakční mřížka by vytvořila celé spektrum, stejně jako hranol.

Fotonické krystaly, známé také jako fotonické materiály s mezerou v pásmu, jsou „laditelné“, což znamená, že jsou přesně uspořádány tak, aby blokovaly určité vlnové délky světla, zatímco jiným umožňují průchod. Změňte strukturu změnou velikosti dlaždic a krystaly se stanou citlivými na jinou vlnovou délku. Používají se v optických komunikacích jako vlnovody a přepínače, stejně jako ve filtrech, laserech, zrcadlech a mnoha skrytých antireflexních zařízeních.

Vědci mohou vyrábět své vlastní barevné konstrukční materiály v laboratoři, ale může být obtížné škálovat proces pro komerční aplikace bez obětování optické přesnosti. Vytváření strukturních barev podobných těm, které se nacházejí v přírodě, je tedy aktivní oblastí výzkumu materiálů. Například na začátku tohoto roku vědci z University of Cambridge rozvinutý Inovativní nová vrstva rostlin se při vystavení slunečnímu záření ochlazuje, takže je ideální pro chlazení budoucích budov nebo automobilů bez potřeby jakéhokoli externího zdroje energie. Vytvořené filmy jsou barevné, ale strukturálně zbarvené ve formě nanokrystalů, nikoli díky přidání pigmentů nebo barviv.

Loni vědci z MIT upravili holografickou techniku ​​z 19. století vynalezenou fyzikem Gabrielem Lippmannem, aby vyvinuli filmy podobné chameleonům, které při natažení mění barvu. Tyto fólie by byly ideální pro výrobu obvazů, které mění barvu v reakci na tlak, což lékařskému personálu umožňuje vědět, zda ránu nebalí příliš těsně – což je důležitý faktor při léčbě stavů, jako jsou bércové vředy, dekubity, lymfedém a jizvy. Děti budou milovat nošení obvazů, které mění barvu, což je skvělý dárek pro pediatry. Schopnost vyrábět velké archy materiálu otevírá uplatnění v oděvech a sportovních oděvech.

Fiorenzo Ominito, materiálový vědec z Tufts University, který je spoluautorem nového článku, objevil unikátní fragment při návštěvě technologického centra kulturního dědictví Italského technologického institutu a rozhodl, že si zaslouží další vědecké studium. „Tento krásný kus skla třpytící se na polici upoutal naši pozornost.“ řekl Umineto. „Byl to kus římského skla nalezený poblíž starověkého města Aquileia v Itálii.“ Ředitel centra to nazval „oslňující sklo“.

Aquileia byla založena Římany v roce 181 př.nl, zpočátku jako vojenská základna, ale brzy vzkvétala jako centrum obchodu, včetně kovaných kovů, baltského jantaru, vína a starověkého skla. „Nález dřevěného sudu obsahujícího 11 000 kusů skla v římském vraku lodi v mořské vodě u Aquileie demonstruje vedoucí postavení města ve výměně a zpracování recyklovaného skla podél obchodních cest,“ napsali autoři. Ve 2. století našeho letopočtu, na svém vrcholu, mělo město 100 000 obyvatel. Jeho bohatství klesalo poté, co ho v roce 452 vyplenili Attila a Hunové a v roce 590 znovu Langobardi. Dnes má město jen asi 3500 obyvatel, ale zůstává významným archeologickým nalezištěm.

Archeologové našli „oslňující sklo“ na ornici zemědělského pole během terénního průzkumu v roce 2012 – pravděpodobně vynesené na povrch díky nedávné orbě – a okamžitě je zaujal jeho výrazný vícebarevný vzhled. Ve stejnou dobu bylo shromážděno asi 780 kusů skla, ale ty měly duhovou slonovinu běžnou ve starořímském skle. Přestože byla tato skořápka celkově tmavě zelená, byla pokryta milimetr silnou zlatou patinou, která svými reflexními vlastnostmi byla téměř zrcadlová. Aby se Ominito a jeho kolegové dozvěděli více, podrobili skořápku jak optické mikroskopii, tak novému typu rastrovací elektronové mikroskopie (SEM), která odhaluje nejen strukturu materiálu v nanometrovém rozlišení, ale také jeho elementární složení.

Chemická analýza datovala sklo do období mezi prvním stoletím před naším letopočtem a prvním stoletím našeho letopočtu. Bylo tam vysoké množství titanu, což naznačuje, že písek používaný k výrobě skla byl egyptského původu, který obvykle obsahuje více nečistot. Pokud jde o tmavě zelenou barvu, která je stále přítomna ve většině díla, autoři uvádějí, že je to způsobeno přítomností železa. Přibližně do poloviny 2. století našeho letopočtu se římské sklo vyrábělo buď ze surového levantského syrského skla vyrobeného z relativně čistého písku – což mělo černo/fialovou barvu – nebo ze skla s vysokým obsahem hořčíku vyrobeného z nečistého písku bohatého na železo a přísady. rostlinného popela, aby získal tmavě zelenou barvu. To je v souladu s touto novou analýzou „oslňujícího skla“.

Analýza SEM odhalila přesné hierarchické uspořádání k vytvoření takzvaných „Braggových vrstev“ – v podstatě jednorozměrných fotonických krystalů charakterizovaných střídáním vrstev materiálů s vysokým a nízkým indexem lomu, které dávají vzniknout strukturální barvě. V ideálním Braggově stohu mají vrstvy stejnou tloušťku. Ale jedna vrstva byla silnější a hustší než druhá v „oslňujícím skle“, což mu dodávalo ten chladný kovový vzhled. Konkrétně každý svazek šroubů odrážel jinou úzkou vlnovou délku světla a naskládání desítek z nich dohromady vytvořilo vysoce reflexní zlatou vrstvu na skořápce.

To je důkaz, že skleněný úlomek byl vytvořen „chemickou změnou oxidu křemičitého řízenou pH, která neklade stejně přísná fyzikální omezení jako v přírodních živočišných systémech,“ napsali vědci. Podle Ominitovi, Pokud se jim podaří vymyslet způsob, jak tento proces urychlit, aby vytvoření takového artefaktu netrvalo staletí, „mohli bychom najít způsob, jak pěstovat optické materiály místo jejich výroby“.

„Je to pravděpodobně proces eroze a přestavby.“ řekla spoluautorka Giulia Guidetti, také u Tufts. „Okolní hlína a déšť určily difúzi minerálů a periodickou erozi oxidu křemičitého ve skle. Zároveň byly shromážděny také 100 nanometrů silné vrstvy kombinující oxid křemičitý a minerály v cyklech. Výsledkem je neuvěřitelně uspořádané uspořádání ze stovek vrstev krystalického materiálu Krystaly, které rostou na povrchu Sklo je také odrazem změn podmínek, které nastaly na zemi s rozvojem města, záznamem jeho environmentální historie.

PNAS, 2023. DOI: 10.1073/pnas.2311583120 (O digitálních ID).