Senās Romas “žilbinošais stikls” satur fotoniskā kristāla diadēmu, kas veidota gadsimtiem ilgi – Ars Technica

Daba ir galvenais nano radītājs. Jaunākais pierādījums tam ir neparasts seno romiešu stikla gabals (saukts par “žilbinošo stiklu”), kuram ir plāns zelta krāsas pārklājums. Romiešu stikla lauskas raksturo zilas, zaļas un oranžas mirdzošas krāsas, un tās ir korozijas procesa rezultāts, kas lēnām pārstrukturē stiklu, veidojot… Fotoniskie kristāliŠī apvalka mirdzošais, spoguļveidīgais zelta spīdums ir rets piemērs ar neparastām optiskām īpašībām, norāda Jauns papīrs Publicēts Proceedings of the National Academy of Sciences.

Tas ir vēl viens dabiski sastopamas strukturālās krāsas piemērs. Kā minēts iepriekš, spilgti zaigojošās krāsas tauriņu spārnos, ziepju burbuļos, opālos vai vaboļu čaumalās nerodas no pigmenta molekulām, bet gan no to struktūras, kas rodas dabiski. Fotoniskie kristāli. Dabā, piemēram, hitīna čaumalas (kukaiņos bieži sastopams polisaharīds) ir izkārtotas kā jumta dakstiņi. Būtībā tie veido a Difrakcijas režģisIzņemot to, ka fotoniskie kristāli rada tikai noteiktas krāsas vai gaismas viļņu garumus, savukārt difrakcijas režģis radītu visu spektru, tāpat kā prizma.

Fotoniskie kristāli, kas pazīstami arī kā fotonisko joslu spraugu materiāli, ir “noskaņojami”, kas nozīmē, ka tie ir precīzi sakārtoti, lai bloķētu noteiktus gaismas viļņu garumus, vienlaikus ļaujot citiem iziet cauri. Mainiet struktūru, mainot flīžu izmēru, un kristāli kļūst jutīgi pret citu viļņa garumu. Tos izmanto optiskajos sakaros kā viļņvadus un slēdžus, kā arī filtros, lāzeros, spoguļos un daudzās slēptās pretatstarošanas ierīcēs.

Zinātnieki laboratorijā var izgatavot paši savus krāsainos strukturālos materiālus, taču var būt grūti mērogot procesu komerciāliem lietojumiem, nezaudējot optisko precizitāti. Tāpēc dabā sastopamo strukturālo krāsu radīšana ir aktīva materiālu izpētes joma. Piemēram, šī gada sākumā Kembridžas universitātes zinātnieki izstrādāta Novatorisks jaunais augu slānis kļūst vēsāks, ja tiek pakļauts saules gaismai, padarot to ideāli piemērotu nākotnes ēku vai automašīnu dzesēšanai bez nepieciešamības izmantot ārēju enerģijas avotu. Izveidotās plēves ir krāsainas, taču tās ir strukturāli iekrāsotas nanokristālu veidā, nevis pigmentu vai krāsvielu pievienošanas dēļ.

Pagājušajā gadā MIT zinātnieki pārveidoja 19. gadsimta hologrāfisko tehniku, ko izgudroja fiziķis Gabriels Lipmans, lai izstrādātu hameleonam līdzīgas plēves, kuras izstiepjot maina krāsu. Šīs plēves būtu ideāli piemērotas, lai izveidotu pārsējus, kas maina krāsu, reaģējot uz spiedienu, ļaujot medicīnas personālam zināt, vai viņi pārāk cieši iesaiņo brūci — tas ir svarīgs faktors, ārstējot tādus apstākļus kā venozās čūlas, spiediena čūlas, limfedēma un rētas. Bērniem patiks valkāt krāsas mainošos pārsējus, kas ir lieliska dāvana pediatriem. Iespēja izgatavot lielas materiāla loksnes paver pielietojumu apģērbā un sporta apģērbā.

Fiorenzo Ominito, materiālu zinātnieks no Tufts universitātes, kurš bija līdzautors jaunajam rakstam, atklāja unikālo fragmentu, apmeklējot Itālijas Tehnoloģiju institūta Kultūras mantojuma tehnoloģiju centru, un nolēma, ka tas ir turpmākas zinātniskas izpētes vērts. “Mūsu uzmanību piesaistīja šis skaistais stikla gabals, kas dzirkstīja plauktā.” Umineto teica. “Tas bija romiešu stikla gabals, kas atrasts netālu no senās pilsētas Akvilejas, Itālijā.” Centra direktors to nosauca par “žilbinošu stiklu”.

Akvileju 181. gadā pirms mūsu ēras dibināja romieši, sākotnēji kā militāru priekšposteni, taču drīz tā uzplauka kā tirdzniecības centrs, kurā tika tirgoti metālkalumi, Baltijas dzintars, vīns un senais stikls. “Koka mucas ar 11 000 stikla gabalu atklāšana romiešu kuģa vrakā jūras ūdenī pie Akvilejas pierāda pilsētas vadošo pozīciju pārstrādātā stikla apmaiņā un apstrādē pa tirdzniecības ceļiem,” raksta autori. Mūsu ēras 2. gadsimtā, sasniedzot savu kulmināciju, pilsētā dzīvoja 100 000 iedzīvotāju. Tās bagātība samazinājās pēc tam, kad to nolaupīja Attila un huņņi 452. gadā un atkal langobardi 590. gadā. Mūsdienās pilsētā dzīvo tikai aptuveni 3500 iedzīvotāju, taču tā joprojām ir nozīmīga arheoloģiska vieta.

Arheologi 2012. gadā lauka apsekojuma laikā atrada “žilbinošo stiklu” uz lauksaimniecības lauka augsnes virskārtas, kas, iespējams, tika izcelts virszemē, pateicoties nesenai aršanai, un viņus uzreiz pārsteidza tā raksturīgā daudzkrāsainība. Tajā pašā laikā tika savākti aptuveni 780 stikla gabali, bet tiem bija zaigojošs ziloņkauls, kas bija izplatīts senās Romas stiklā. Lai gan šis apvalks kopumā bija tumši zaļš, to klāja milimetru bieza zelta patina, kas pēc savām atstarojošajām īpašībām bija gandrīz spoguļveidīga. Lai uzzinātu vairāk, Ominito un viņa kolēģi pakļāva apvalku gan optiskajai mikroskopijai, gan jauna veida skenējošai elektronu mikroskopijai (SEM), kas atklāj ne tikai materiāla nanometru izšķirtspējas struktūru, bet arī tā elementu sastāvu.

Ķīmiskā analīze datēja stiklu no pirmā gadsimta pirms mūsu ēras līdz mūsu ēras pirmajam gadsimtam. Bija augsts titāna līmenis, kas liecina, ka stikla izgatavošanai izmantotās smiltis bija Ēģiptes izcelsmes, kas parasti satur vairāk piemaisījumu. Attiecībā uz tumši zaļo krāsu, kas joprojām ir lielākajā daļā gabala, autori norāda, ka tas ir saistīts ar dzelzs klātbūtni. Apmēram līdz mūsu ēras 2. gadsimta vidum romiešu stikls tika izgatavots no neapstrādāta Levantes Sīrijas stikla, kas izgatavots no salīdzinoši tīrām smiltīm, iegūstot melnu/purpursarkanu krāsu, vai no stikla ar augstu magnija saturu, kas izgatavots no netīrām smiltīm, kas bagātas ar dzelzi un piedevām. no augu pelniem, lai tie iegūtu tumši zaļu krāsu. Tas atbilst šai jaunajai “žilbinošā stikla” analīzei.

SEM analīze atklāja precīzu hierarhisku izkārtojumu, veidojot tā sauktos “Bragg skursteņus” – būtībā viendimensiju fotoniskus kristālus, ko raksturo mainīgi augstas un zemas refrakcijas indeksa materiālu slāņi, kas rada strukturālu krāsu. Ideālā Bragg kaudzē slāņi ir vienāda biezuma. Bet viens slānis bija biezāks un blīvāks par otru “žilbinošajā stiklā”, piešķirot tam vēsu metālisku izskatu. Konkrētāk, katra skrūvju kaudze atspoguļoja atšķirīgu šauru gaismas viļņa garumu, un, saliekot kopā desmitiem skrūvju, uz korpusa tika izveidots ļoti atstarojošs zelta slānis.

Tas ir pierādījums tam, ka stikla fragments tika izveidots, izmantojot “pH izraisītu silīcija dioksīda ķīmisko izmaiņu, kas neuzliek tādus pašus stingrus fiziskos ierobežojumus kā dabiskajās dzīvnieku sistēmās”, raksta pētnieki. Saskaņā ar uz Ominito, Ja viņi var izdomāt veidu, kā paātrināt šo procesu, lai šāda artefakta izveidei nebūtu vajadzīgi gadsimti, “mēs varētu atrast veidu, kā audzēt optiskos materiālus, nevis tos ražot.”

“Tas, iespējams, ir erozijas un atjaunošanas process.” teica līdzautore Giulia Guidetti, arī pie Tufts. “Apkārtējais māls un lietus ir noteikuši minerālu difūziju un periodisku silīcija dioksīda eroziju stiklā. Tajā pašā laikā ir savākti arī 100 nanometru biezi slāņi, kas ciklos apvieno silīcija dioksīdu un minerālus. Rezultāts ir neticami sakārtots izkārtojums simtiem kristāliska materiāla slāņu.Kristāli, kas aug uz virsmas Stikla trauki atspoguļo arī apstākļu izmaiņas, kas notika uz zemes, pilsētai attīstoties, tās vides vēstures ieraksts.

PNAS, 2023. DOI: 10.1073/pnas.2311583120 (Par digitālajiem ID).