自然的纳米技术：古罗马玻璃的奇迹

经过几个世纪的变迁，古罗马的玻璃碎片为现代科学家提供了一窥过去和潜在的未来技术应用的机会。这些碎片被埋藏了数千年，经历了分子变化，形成了光子晶体，现在被用于先进的技术。研究人员Omenetto和Guidetti被这种天然纳米结构所吸引，他们进行了详细的研究，揭示了玻璃复杂的结构变化。他们的发现不仅揭示了古代全球贸易和罗马建筑的演变，而且还提出了制造光学材料的潜在新方法。

大约2000年前，在古罗马，装满酒、水或异国香水的玻璃容器从集市的桌子上掉了下来，摔成了无数的碎片。在接下来的几个世纪里，这些碎片被埋在一层层的泥土和碎片下，暴露在温度、湿度和周围矿物质的连续变化中。

现在，这些微小的玻璃碎片正从建筑工地和考古挖掘中被发现，并显示出它们的非凡之处。在它们的表面是由蓝色、绿色和橙色组成的彩虹色马赛克，有些还展示着闪闪发光的金色镜子。

这些美丽的玻璃制品通常作为吊坠或耳环镶嵌在珠宝中，而更大、更完整的物品则在博物馆展出。

照片尼克晶体及其意义

对于塔夫茨大学丝绸实验室的工程学教授和材料科学专家Fiorenzo Omenetto和Giulia Guidetti来说，令人着迷的是玻璃中的分子如何在数千年的时间里与矿物质重新排列和重组，形成所谓的光子晶体——原子的有序排列，以非常特定的方式过滤和反射光。

光子晶体在现代技术中有许多应用。它们可以用来制造波导、光开关和其他设备，用于计算机和互联网上的快速光通信。由于它们可以被设计成阻挡某些波长的光，同时允许其他波长的光通过，因此它们被用于过滤器、激光器、镜子和防反射(隐身)设备中。

古罗马玻璃表面光子晶体的显微图像。来源:Giulia Guidetti

在最近发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一项研究中，Omenetto、Guidetti和合作者报告了独特的原子和矿物结构，这些结构是由玻璃原有的硅酸盐和矿物成分构成的，受周围环境的pH值和土壤中地下水的波动水平的调节。

“哇玻璃”的发现

这个项目是在一次访问意大利理工学院(IIT)文化遗产技术中心时偶然开始的。“架子上这块美丽的闪闪发光的玻璃吸引了我们的注意，”Omenetto说。“这是一块在意大利阿奎莱亚古城附近发现的罗马玻璃碎片。”该中心主任阿里安娜·特拉维格利亚说，她的团队亲切地将其称为“哇玻璃”。他们决定仔细观察一下。

研究人员很快意识到，他们所看到的是自然界中光子晶体的纳米结构。奥梅内托说:“在泥里放置了两千年的玻璃，最终得到了纳米光子元件的教科书范例，这真的很了不起。”

腐蚀与重构

印度理工学院研究小组的化学分析表明，这块玻璃碎片的年代在公元前1世纪到公元1世纪之间，来自埃及的沙漠——这是当时全球贸易的一个标志。碎片的大部分保留了原来的深绿色，但在它的表面是一毫米厚的铜绿，有一个几乎完美的镜子般的金色反射。Omenetto和Guidetti使用了一种新型扫描电子显微镜，不仅揭示了材料的结构，还提供了元素分析。

guidtti说:“基本上，它是一种仪器，可以以高分辨率告诉你材料是由什么组成的，以及元素是如何组合在一起的。”

他们可以看到，铜绿具有一个层次结构，由高度规则的，微米厚的高密度和低密度交替的二氧化硅层组成，类似于被称为布拉格堆栈的反射器。每个布拉格堆叠强烈反射不同的、相对较窄波长的光。数十个布拉格堆的垂直堆叠形成了铜绿的金色镜面外观。

随着时间的推移，这种结构是如何形成的?研究人员提出了一种可能的机制，这种机制耐心地发挥了几个世纪。“这可能是一个腐蚀和重建的过程，”guidtti说。“周围的粘土和雨水决定了矿物质的扩散和玻璃中二氧化硅的周期性腐蚀。与此同时，100纳米厚的二氧化硅与矿物结合层的组装也以循环的方式发生。结果是数百层晶体材料的令人难以置信的有序排列。”

“虽然玻璃的年代可能是其魅力的一部分，但在这种情况下，如果我们能在实验室中显著加快这一过程，我们可能会找到一种方法来生长光学材料，而不是制造它们，”Omenetto补充说。

历史上的并行性

分子衰变和重建的过程与罗马城本身有一些相似之处。古罗马人喜欢建造经久耐用的建筑，比如沟渠、道路、圆形剧场和寺庙。许多这样的建筑成为了城市地形的基础。

几个世纪以来，这座城市不断发展，随着战争、社会动荡和时间的流逝，建筑起起落落。在中世纪，人们用破旧和废弃的古建筑的材料建造新建筑。在现代，街道和建筑物经常直接建在古老的地基上。

Guidetti说:“在玻璃表面生长的晶体也反映了城市发展过程中地面条件的变化，这是城市环境历史的记录。”

参考文献:由Giulia Guidetti, Roberta Zanini, Giulia Franceschin, Mauro Moglianetti, Taehoon Kim, Nathaniel Cohan, Lisa Chan, John Treadgold, Arianna Traviglia和Fiorenzo G. Omenetto撰写的“在古罗马玻璃中建造的光子晶体”，2023年9月18日，美国国家科学院院刊。DOI: 10.1073 / pnas.2311583120

这项研究是由海军研究办公室资助的。