1600-летняя нанотехнология удивительного римского стекла, меняющего цвет, наконец-то раскрыта

Римская чаша IV века нашей эры выглядит нефритово-зеленой, пока на нее смотрят спереди, и вспыхивает ярко-рубиновым, когда за ней появляется источник света. Ученые из университета Шеффилда (Великобритания) наконец-то смогли повторить этот удивительный 1600-летний эффект, когда стекло меняло цвет. Что же было спрятано внутри этого загадочного материала? И почему современные стеклодувы долгие десятилетия не могли воспроизвести античную нанотехнологию?

Роскошный и меняющий цвет

Кубок Ликурга сегодня выставлен в Британском музее. Его высота около 16 сантиметров, а сделан он в IV веке нашей эры. При свете спереди стекло кажется нефритово-зеленым, но стоит просветить сосуд сзади, и он загорается рубиновым. Гости римских пиров наверняка не могли отвести от него глаз. Почему так происходит, мы разберем чуть дальше.



Кубок однозначно относится к редким предметам римской роскоши. Мастер брал толстую заготовку из стекла и вырезал лишний материал, пока тонкие фигуры и украшения почти не отделялись от стенки сосуда. Их удерживали только узкие стеклянные перемычки. Такая работа требовала огромного мастерства, ведь одно неверное движение портило вещь целиком.

До нас дошло лишь порядка 40 таких ажурных вырезных чаш. Кубок Ликурга не только сохранился в отличном состоянии, он еще и единственный, кто умеет менять свой цвет. Мастер изобразил на сосуде один из популярных греческих мифов. Фракийский царь Ликург нападает на свиту бога вина Диониса. Няня Диониса Амброзия превратилась в лозу и обвила царя, а остальные участники истории истязают дерзкого фракийца.


— рассказал в интервью The Guardian профессор археологии Иен Фристоун из Университетского колледжа Лондона.

Тайна древнего стекла

Разгадка оказалась такой маленькой, что увидеть ее можно только под микроскопом. В 1990 году в журнале Archaeometry вышла работа, авторы которой изучили стекло под электронным микроскопом. Внутри они нашли крошечные частицы серебра и золота. Диаметр многих составлял примерно от 50 до 100 нанометров, то есть они намного тоньше человеческого волоса.

В таких наномасштабах металл начинает необычно обращаться со светом. Обычный белый свет содержит все цвета видимого спектра. Проходя через чашку, он встречает наночастицы, которые в основном поглощают и рассеивают короткие волны, включая синий и зеленый. Поэтому сквозь стекло доходит больше красного и оранжевого, и на просвет сосуд горит рубиновым цветом.

Когда свет падает на чашку спереди, частицы рассеивают его иначе, и стекло выглядит непрозрачным и зеленым. Это явление называют дихроизмом: материал показывает разные цвета при разном освещении. Современные ученые намеренно управляют похожим взаимодействием света и наночастиц, чтобы создавать передовые оптические материалы. Римские ремесленники добились примерно того же на 1600 лет раньше, вообще ничего не зная ни о каких нанотехнологиях. Однако понять механизм оказалось куда проще, чем повторить результат.

Почему рецепт не давался десятилетиями

Общий принцип ученые понимали уже давно, но воспроизвести оригинальное стекло все равно не получалось. Просто бросить золото и серебро в расплав недостаточно. Металлы должны собраться в частицы нужного размера и формы, да еще и в правильной концентрации. Если хоть один параметр не совпадает, чудесного эффекта не будет.



Все это сильно зависит от химического состава самого стекла и от условий внутри печи. Даже небольшие отличия приводят к совершенно другим цветам. Поэтому стеклоделам приходилось подбирать рецепт почти вслепую, и результат часто не походил на римский оригинал.

Надо сказать, что попытки предпринимались и ранее. В 1960-х годах уже выпускали стекла похожих оттенков, но с разным успехом и хуже, чем сейчас получилось у шеффилдской команды. В 2020 году Ларс Кул и Флорис Деккер, исследователи университета Вагенингена в Нидерландах, пошли другим путем. Они ввели серебряные и золотые наночастицы в пластиковый материал для 3D-печати и напечатали чашку, которая отражала зеленый и просвечивала красноватым. Оптика совпала с древней, но это был полимерный композит, а не настоящее стекло.

Как же воссоздали древнеримскую технологию

В 2025 году в Англии должна была пройти выставка древнеримского искусства. Поэтому доктору Лизе Холландс, стеклодуву с 25-летним стажем из университета Шеффилда, предложили воссоздать загадочный эффект кубка Ликурга. Холландс подключила к работе профессора Кэролайн Джексон, эксперта по римскому стеклу. Вместе эксперты изучили древние материалы для стеклоделия и восстановили правдоподобный исходный состав из современных ингредиентов.

Тандем перепробовал разные конструкции печей, менял исходное сырье, в том числе золото и серебро, и регулировал уровень кислорода. Исследовательницы даже добавляли в материал сахар, потому что он меняет химические условия в расплавленном стекле. Температура при плавке поднималась выше 1000 °С.



При остывании внутри стекла выросли мелкие металлические кристаллы, и это уже подсказало, что идея верна. В итоге Холландс получила нужное превращение: непрозрачно-зеленый цвет при свете спереди и красное свечение сзади, как у оригинала. Работа была крайне сложной, так стекло «соглашалось» менять цвет, если только находилось в определенном месте печи.

Разгадан ли римский секрет до конца

Если честно, то нет. Ученые до сих пор не могут точно сказать, добавляли ли римские мастера золото и серебро нарочно ради этого эффекта или металлы попали в стекло случайно, в ходе других этапов производства.

Одна версия гласит, что следы золота шли вместе с серебром, которое использовали в работе. Другая предполагает, что драгоценные металлы попали в смесь с инструментов или материалов, уже лежавших в мастерской. Какой бы ни была правда, мастера создали нечто необыкновенное, а Кубок Ликурга мог оказаться просто невероятной удачей. Историю его появления мы, скорее всего, уже не узнаем.

Зато новое исследование дало отличный практический результат. Оно поможет создать более совершенные оптические материалы для управления светом. Их ждут в солнечной энергетике, квантовых технологиях и медицинской диагностике.