2000-летнее римское стекло подсказало ученым как вырастить фотонные кристаллы

Римское стекло возрастом 2000 лет медленно превращается в странный тип кристалла, который удивительным образом преломляет свет, и ученые наконец-то поняли почему.

Этот тип стекла, используемый в кувшинах для хранения воды или вина, часто имеет тонкую патину, переливающуюся золотым, синим, зеленым и оранжевым цветами.

Проанализировав микроструктуру осколка римского стекла, ученые обнаружили, что римское стекло — это природный фотонный кристалл в искусственном материале. Они также выяснили, как он, вероятно, приобрел свой опаловый блеск. Исследователи опубликовали свои выводы 18 сентября в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Это действительно замечательно, что у нас есть стекло, которое лежит в грязи в течение двух тысячелетий, а в итоге получается нечто, являющееся хрестоматийным примером нанофотонного компонента», — говорит ведущий автор Фиоренцо Оменетто, профессор инженерных наук в Университете Тафтса в Бостоне. 

Фотонные кристаллы — это материалы, состоящие из перемежающихся плотных и менее плотных слоев с разными показателями преломления, то есть каждый слой отражает свет разных длин волн под разными углами. Поскольку цвет фотонных кристаллов зависит от угла, под которым на них смотрят, свет, который они отражают, переливается. 

Фотонные кристаллы существуют в природе. Люди также производят их для использования в камерах, датчиках и световых схемах, но ученые, стоящие за новым исследованием, хотели увидеть, как они формируются естественным путем. 

Исследователи проанализировали золотистую поверхность осколка римского стекла, найденного недалеко от древнего города Аквилеи в Италии и датированного периодом между первым веком до нашей эры и первым веком нашей эры. 

Всматриваясь в стекло через оптический микроскоп и составив карту его поверхности с помощью сканирующего электронного микроскопа, ученые обнаружили, что структура стекла состоит из слоев кремнезема нанометровой толщины, расположенных в виде структуры, известной как стопки Брэгга, которая меняет показатели, чтобы придать стеклу характерный блеск.

«Вероятно, это процесс коррозии и восстановления», — полагает ведущий автор исследования Джулия Гуидетти, профессор биомедицинской инженерии в Университете Тафтса.

Радужная патина образовалась в результате многих циклов эрозии и восстановления; дождь и глина разрушали часть кремнезема стекла только для того, чтобы снова восстановить его.

«Сборка слоев толщиной 100 нанометров, объединяющих кремнезем и минералы, происходила циклично, — добавил Гуидетти. - Результатом является невероятно упорядоченное расположение сотен слоев кристаллического материала».

Исследователи говорят, что их следующими шагами будет изучение возможности ускорить процесс формирования римского стекла, что позволит людям выращивать фотонные кристаллы, а не производить их.