Учёные раскрыли тайну фотонных кристаллов на древнеримском стекле

Около 2000 лет назад в Древнем Риме стеклянные сосуды с вином, водой, или, возможно, духами, падали со стола на рыночной площади и разбивались вдребезги. Шли века, и на осколки в пыли и почве влияли температура, влажность и окружающие минералы. Теперь эти кусочки попадаются на стройплощадках и при археологических раскопках — и представляют собой нечто необычайное. На их поверхности — мозаика из переливающихся синего, зелёного и оранжевого цветов, а на некоторых — мерцающие золотистые зеркала. Древние осколки настолько красивы, что их часто используют в ювелирных изделиях, кулонах или серьгах, в то время как более крупные фрагменты и предметы выставляют в музеях.


Фьоренцо Оменетто и Джулия Гуидетти, специалисты из Университета Тафтса (США) и эксперты в области материаловедения, заинтересовались, как молекулы в стекле перестраивались и взаимодействовали с минералами на протяжении тысячелетий. И образовывали в результате так называемые фотонные кристаллы — особым образом расположенные атомы, которые пропускают через себя и отражают свет особым образом.

Фотонные кристаллы находят множество применений в современных технологиях. Их можно использовать для создания волноводов, оптических переключателей и других устройств для очень быстрой оптической связи, в том числе для интернета. Поскольку с их помощью можно блокировать определённые длины волн света, пропуская другие, такие кристаллы используют в фильтрах, лазерах, зеркалах и устройствах с защитой от отражения.

В исследовании, опубликованном в Трудах Национальной академии наук (PNAS), Оменетто и Гуидетти с соавторами рассказали об уникальных атомных и минеральных структурах, которые образовались из исходных силикатных и минеральных компонентов стекла, и как на процесс влиял уровень кислотности (pH) окружающей среды и колебания уровня грунтовых вод в почве.

Исследовательский проект начался случайно во время посещения Технологического центра культурного наследия Итальянского технологического института (IIT). Внимание гостей привлёк красивый сверкающий предмет на полке — это был кусок стекла, найденный недалеко от древнего города Аквилея в Италии. Арианна Травилья, директор IIT, сказала, что они с коллегами прозвали экспонат «вау-стеклом». И тогда Оменетто и Гуидетти решили рассмотреть артефакт поближе. Вскоре исследователи поняли, что перед ними — фотонные кристаллы, созданные самой природой.


— Фьоренцо Оменетто, Университет Тафтса.

Проведённый в IIT химический анализ определил время изготовления стекла между первым веком до нашей эры и I веком н. э. Причём сырьём послужил песок из Египта. Так состав осколка подтвердил масштабы мировой торговли того времени. Основная часть фрагмента сохранила свой первоначальный тёмно-зелёный цвет, но на его поверхности была почти идеальная золотистая зеркальная патина толщиной в миллиметр.

Оменетто и Гуидетти использовали новый вид сканирующего электронного микроскопа, который не только выявляет структуру материала, но и обеспечивает элементный анализ. По сути, это инструмент с высоким разрешением, который может рассказать, из чего сделан материал и как в нём сочетаются химические элементы.

Исследователи смогли увидеть, что патина — это структура из очень правильных чередующих слоёв кремнезёма толщиной в микрометр то высокой, то низкой плотности. Они напоминали отражатели, известные как зеркала Брэгга. Зеркало Брэгга, которое также называют распределённым отражателем Брэгга, представляет собой конструкцию из чередующихся слоев двух различных оптических материалов. Каждая «стопка Брэгга» отражает различные, относительно узкие длины волн света. Вертикальное расположение десятков таких слоёв и привело к появлению патины в виде золотого зеркала на итальянском артефакте.

Как же формировалась эта структура? Исследователи предполагают возможный механизм, который влиял на протяжении веков. Джулия Гвидетти высказала предположение исследователей, что в основе — коррозия и восстановление материалов. То есть окружающие стекло глина и воды содержали элементы для диффузии и циклической коррозии кремнезёма. В то же время сборка слоёв толщиной по 100 нанометров, объединяющих кремнезём и минералы, также происходила циклически. Результатом стало невероятно упорядоченное расположение сотен слоёв кристаллического материала.

Оменетто сказал, что помимо очарования древней вещи в изученном стекле также есть большой соблазн для науки — оседлать процесс и значительно ускорить его в лаборатории, то есть найти способ выращивать оптические материалы.

Между молекулярным процессом разрушения и восстановления веществ в стекле и самим городом Римом можно провести некоторые параллели. Древние римляне имели склонность к созданию долговечных сооружений — это были акведуки, дороги, амфитеатры и храмы. Многие из этих структур легли в основу топографии города. С тех пор на протяжении веков город рос слоями, здания поднимались и разрушались в связи с войнами, социальными потрясениями и течением времени. В средневековые времена люди использовали материалы из развалин и заброшенных древних зданий для нового строительства. Даже в наши дни улицы и здания часто возводят прямо поверх старинных фундаментов. Выросшие на поверхности стекла кристаллы также отражают, как изменялись условия в земле по мере развития города, — это запись его экологической истории, добавила Гвидетти.