El ‘vidrio deslumbrante’ de la antigua Roma contiene una tiara de cristal fotónico formada a lo largo de siglos – Ars Technica

La naturaleza es el último nanocreador. La última prueba de ello es una inusual pieza de vidrio de la antigua Roma (llamada «vidrio deslumbrante») que tiene una fina capa de color dorado. Los fragmentos de vidrio romano se caracterizan por sus colores iridiscentes de azul, verde y naranja, y son el resultado del proceso de corrosión que lentamente reestructura el vidrio para formar… Cristales fotónicosEl brillo dorado como un espejo de esta concha es un raro ejemplo con propiedades ópticas inusuales, según Nuevo papel Publicado en Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Es otro ejemplo de coloración estructural natural. Como se mencionó anteriormente, los brillantes colores iridiscentes en las alas de las mariposas, las pompas de jabón, los ópalos o los caparazones de los escarabajos no provienen de ninguna molécula de pigmento sino de cómo están estructuradas, lo que ocurre de forma natural. Cristales fotónicos. En la naturaleza, por ejemplo, las cáscaras de quitina (un polisacárido común en los insectos) están dispuestas como tejas. Básicamente forman una Rejilla de difracciónExcepto que los cristales fotónicos sólo producen ciertos colores o longitudes de onda de luz, mientras que una rejilla de difracción produciría todo el espectro, como un prisma.

También conocidos como materiales de banda prohibida fotónica, los cristales fotónicos son «sintonizables», lo que significa que están dispuestos con precisión para bloquear ciertas longitudes de onda de luz y permitir que otras pasen a través de ellas. Cambie la estructura cambiando el tamaño de las baldosas y los cristales se volverán sensibles a una longitud de onda diferente. Se utilizan en comunicaciones ópticas como guías de ondas e interruptores, así como en filtros, láseres, espejos y muchos dispositivos antirreflectantes ocultos.

Los científicos pueden fabricar sus propios materiales estructurales coloreados en el laboratorio, pero puede resultar difícil ampliar el proceso para aplicaciones comerciales sin sacrificar la precisión óptica. Por eso, la creación de colores estructurales como los que se encuentran en la naturaleza es un área activa de la investigación de materiales. Por ejemplo, a principios de este año, científicos de la Universidad de Cambridge desarrollado Una nueva e innovadora capa vegetal se enfría cuando se expone a la luz solar, lo que la hace ideal para enfriar futuros edificios o automóviles sin necesidad de ninguna fuente de energía externa. Las películas creadas son coloridas, pero están coloreadas estructuralmente en forma de nanocristales, no debido a la adición de pigmentos o pigmentos.

El año pasado, los científicos del MIT modificaron una técnica holográfica del siglo XIX inventada por el físico Gabriel Lippmann para desarrollar películas camaleónicas que cambian de color cuando se estiran. Estas películas serían ideales para fabricar vendajes que cambien de color en respuesta a la presión, lo que permitiría al personal médico saber si están envolviendo una herida con demasiada fuerza, un factor importante en el tratamiento de afecciones como úlceras venosas, úlceras por presión, linfedema y cicatrices. A los niños les encantará usar los vendajes que cambian de color, lo que los convierte en un excelente regalo para los pediatras. La capacidad de fabricar láminas grandes del material abre aplicaciones en ropa y ropa deportiva.

Fiorenzo Ominito, científico de materiales de la Universidad de Tufts y coautor del nuevo artículo, descubrió el fragmento único mientras visitaba el Centro de Tecnología del Patrimonio Cultural del Instituto Italiano de Tecnología y decidió que merecía un estudio científico más profundo. «Esta hermosa pieza de vidrio que brillaba en el estante nos llamó la atención». Umineto dijo. «Era un trozo de vidrio romano encontrado cerca de la antigua ciudad de Aquileia, Italia». El director del centro lo llamó «vidrio deslumbrante».

Aquileia fue fundada por los romanos en 181 a. C., inicialmente como un puesto militar, pero pronto floreció como centro de comercio, incluyendo metales forjados, ámbar báltico, vino y vidrio antiguo. «El descubrimiento de un barril de madera que contenía 11.000 piezas de vidrio en un naufragio romano en el agua de mar frente a Aquileia demuestra la posición de liderazgo de la ciudad en el intercambio y procesamiento de vidrio reciclado a lo largo de las rutas comerciales», escribieron los autores. En el siglo II d.C., en su apogeo, la ciudad tenía una población de 100.000 habitantes. Su fortuna decayó después de que fue saqueada por Atila y los hunos en 452, y nuevamente por los lombardos en 590. Hoy en día, la ciudad tiene una población de sólo 3.500 habitantes, pero sigue siendo un importante sitio arqueológico.

Los arqueólogos encontraron el «vidrio deslumbrante» en la capa superior del suelo de un campo agrícola durante un estudio de campo en 2012 (probablemente traído a la superficie gracias a un arado reciente) y quedaron inmediatamente impresionados por su distintiva apariencia multicolor. Se recolectaron alrededor de 780 piezas de vidrio al mismo tiempo, pero tenían el marfil iridiscente común en el vidrio romano antiguo. Aunque este caparazón era en general de color verde oscuro, estaba cubierto por una pátina dorada de un milímetro de espesor que casi parecía un espejo en sus propiedades reflectantes. Para obtener más información, Ominito y sus colegas sometieron el caparazón a microscopía óptica y a un nuevo tipo de microscopía electrónica de barrido (SEM) que revela no sólo la estructura de resolución nanométrica del material, sino también su composición elemental.

El análisis químico fechó el vidrio entre el siglo I a.C. y el siglo I d.C. Había un alto nivel de titanio, lo que indica que la arena utilizada para fabricar el vidrio era de origen egipcio, que suele contener más impurezas. En cuanto al color verde oscuro que aún persiste en la mayor parte de la pieza, los autores indican que se debe a la presencia de hierro. Hasta aproximadamente mediados del siglo II d.C., el vidrio romano se fabricaba a partir de vidrio sirio levantino en bruto, elaborado con arena relativamente pura (lo que daba como resultado un color negro/púrpura), o vidrio con alto contenido de magnesio elaborado con arena impura, rica en hierro y aditivos. de ceniza vegetal para darle un color verde oscuro. Esto es consistente con este nuevo análisis del “vidrio deslumbrante”.

El análisis SEM reveló una disposición jerárquica precisa para formar las llamadas «pilas de Bragg», esencialmente cristales fotónicos unidimensionales caracterizados por capas alternas de materiales de alto y bajo índice de refracción que dan lugar al color estructural. En una pila de Bragg ideal, las capas tienen el mismo grosor. Pero una capa era más gruesa y densa que la otra en el «vidrio deslumbrante», dándole ese aspecto metálico fresco. Específicamente, cada pila de tornillos reflejaba una longitud de onda de luz estrecha diferente, y al apilar docenas de ellos se creó una capa dorada altamente reflectante en la carcasa.

Esto es evidencia de que el fragmento de vidrio se formó a través de “un cambio químico de sílice impulsado por el pH, que no impone las mismas restricciones físicas estrictas que las que se encuentran en los sistemas animales naturales”, escribieron los investigadores. De acuerdo a A Ominito, Si pueden encontrar una manera de acelerar este proceso para que no se necesiten siglos para formar tal artefacto, «podríamos encontrar una manera de cultivar materiales ópticos en lugar de fabricarlos».

«Es probable que se trate de un proceso de erosión y reconstrucción». dijo la coautora Giulia Guidetti., también en Tufts. «La arcilla circundante y la lluvia han determinado la difusión de minerales y la erosión periódica de la sílice en el vidrio. Al mismo tiempo, también se han recogido capas de 100 nanómetros de espesor que combinan sílice y minerales en ciclos. El resultado es una disposición increíblemente ordenada de cientos de capas de material cristalino Cristales que crecen en la superficie La cristalería es también un reflejo de los cambios en las condiciones que se produjeron en el terreno a medida que la ciudad se desarrolló, un registro de su historia ambiental.

PNAS, 2023. DOI: 10.1073/pnas.2311583120 (Acerca de las identificaciones digitales).