埋藏的古罗马玻璃形成物质与现代应用

大约 2000 年前的古罗马，装有酒或水，或者可能是异国情调的香水的玻璃容器从市场的桌子上跌落，并在街上摔成碎片。几个世纪过去了，这些碎片被一层层灰尘和土壤覆盖，并暴露在温度、湿度和周围矿物质不断变化的循环中。

现在，这些微小的玻璃碎片正在从建筑工地和考古发掘中被发现，并显示出它们的非凡之处。它们的表面镶嵌着蓝色、绿色和橙色的彩虹色马赛克，有些还带有闪闪发光的金色镜子。

这些美丽的玻璃工艺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中展出。

对于塔夫茨大学 Silklab 工程教授兼材料科学专家 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重新排列并与矿物质重新组合，形成所谓的光子晶体——有序排列的光子晶体。以非常特定的方式过滤和反射光的原子。

光子晶体在现代技术中有许多应用。它们可用于创建波导、光开关和其他设备，以在计算机和互联网上实现非常快速的光通信。由于它们可以被设计为阻挡某些波长的光，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、镜子和抗反射(隐形)设备。

最近发表在《 国家科学院院刊》(PNAS)上的一项研究中，Omenetto、Guidetti 及其合作者报告了由玻璃的原始硅酸盐和矿物成分构建而成的独特原子和矿物结构，并受 pH 值的调节。周围环境以及土壤中地下水位的波动。

该项目是在参观意大利理工学院(IIT)文化遗产技术中心期间偶然开始的。“架子上这块漂亮的闪闪发光的玻璃吸引了我们的注意，”奥梅内托说。“这是在意大利阿奎拉古城附近发现的一块罗马玻璃碎片。” 该中心主任阿里安娜·特拉维利亚 (Arianna Traviglia) 表示，她的团队亲切地将其称为“哇玻璃”。他们决定仔细看看。

研究人员很快意识到他们正在研究的是光子晶体的纳米制造本质。奥梅内托说：“这真的很了不起，你的玻璃在泥里呆了两千年，最终却得到了纳米光子元件教科书般的例子。”

腐蚀与重建

印度理工学院团队的化学分析表明，这块玻璃碎片的年代为公元前 1 世纪至公元 1 世纪之间，起源于埃及的沙子，这表明了当时的全球贸易。碎片的大部分保留了原来的深绿色，但表面却是毫米厚的铜绿，呈现出近乎完美的镜面般的金色反光。奥梅内托和盖德蒂使用了一种新型扫描电子显微镜，它不仅可以揭示材料的结构，还可以提供元素分析。“基本上，它是一种能够以高分辨率告诉您材料的组成以及元素如何组合在一起的仪器，”Guidetti 说。

他们可以看到，铜锈具有分层结构，由高度规则、微米厚的二氧化硅层组成，度和低密度交替，类似于称为布拉格堆栈的反射器。每个布拉格堆栈强烈反射不同的、相对较窄的波长的光。数十层布拉格叠层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，该机制已经耐心地发挥了几个世纪的作用。“这可能是一个腐蚀和重建的过程，”Guidetti 说。“周围的粘土和雨水决定了玻璃中矿物质的扩散和二氧化硅的周期性腐蚀。与此同时，二氧化硅和矿物质结合的 100 纳米厚层的组装也循环发生。结果是数百层晶体材料的排列极其有序。”