Представьте на мгновение, что вы прогуливаетесь по оживленному римскому рынку около 2000 лет назад. Стеклянный сосуд, возможно, наполненный вином, водой или даже экзотическими духами, теряет равновесие, падает с купеческого стола и разбивается о мощеную мостовую. Уберитесь в пятом проходе!

Но на этот раз дворник оказался неуклюжим. На протяжении веков природа шла своим чередом. Слои пыли, почвы, колебания температуры и разный уровень влажности скрывали эти осколки стекла от мира, но в то же время превратили их в нечто удивительное.

Перенесемся в сегодняшний день, когда эти самые фрагменты были вновь обнаружены на археологических раскопках в Италии. То, что когда-то было обычными осколками стекла, теперь представляет собой переливающуюся мозаику синего, зеленого и оранжевого цветов. Некоторые даже блестят золотым блеском.

Хотя такие очаровательные реликвии обычно можно найти на ювелирных изделиях или музейных экспозициях, для исследователей Фиоренцо Оменетто и Джулии Гуидетти история, которую эти изделия рассказывают об их трансформации, является поистине экстраординарной. Например, они были ошеломлены, обнаружив, что фрагменты стекла в сочетании с минералами за тысячи лет приобрели физические свойства, аналогичные свойствам компонентов, используемых в высокотехнологичных приложениях.

Гениальное мастерство природы

Всегда любознательные умы Оменетто и Гуидетти, профессоров Silklab Университета Тафтса, глубже погрузились в интригующий феномен, превративший обычное стекло в мерцающие чудеса. Они обнаружили, что римское стекло превратилось в фотонные кристаллы — тщательно упорядоченные атомные структуры, которые определенным образом влияют на свет.

Фотонные кристаллы — это структуры с периодическими диэлектрическими свойствами, которые влияют на распространение электромагнитных волн. Как правило, они производятся с использованием передовых технологий изготовления, таких как литография, которая позволяет создавать точный рисунок на наноуровне. При этом слои или массивы материалов с различными показателями преломления систематически располагаются, создавая периодичность (повторяющиеся молекулярные расположения) в одном, двух или трех измерениях. Эта периодическая структура приводит к образованию фотонной запрещенной зоны, которая ограничивает распространение света определенных длин волн через кристалл.

Эти фотонные кристаллы играют ключевую роль в наш цифровой век. Они являются основой сверхбыстрых устройств оптической связи, включая волноводы и переключатели, которые питают наши компьютеры и Интернет. Более того, их способность манипулировать светом находит применение в светофильтрах, лазерах, зеркалах и даже стелс-устройствах.

Это захватывающее сопоставление: артефакт цивилизации, которая на тысячелетия предшествовала Интернету, каким-то образом может обрести свойства, фундаментальные для современной оптической связи.

«Это все равно, что наткнуться на хрестоматийный пример нанофотонного компонента в грязи», — заметил Оменетто.

Случайное открытие, окутанное сверкающей красотой

Удивительное открытие изначально было случайным. Оменетто посещал Центр технологий культурного наследия Итальянского технологического института, где его внимание привлек сверкающий фрагмент. Директор института рассказал ему, что это фрагмент римского стекла из древнего города Аквилеи, который местные исследователи ласково прозвали «вау-стеклом». Тогда они решили присмотреться поближе.

Химический анализ показал, что фрагменты стекла первоначально были выкованы где-то между 100 г. до н. э. и 100 г. н. э., в то время, когда Рим перешел из республики в империю. Кремнезем добывался в песках Египта, и, возможно, там было изготовлено само стекло, что подчеркивает оживленные торговые сети между двумя великими державами. Но в этом сверкающем стакане было нечто большее.

Используя современные сканирующие электронные микроскопы, Оменетто и Гуидетти смогли визуализировать сложную структуру отражающей золото патины. Они наблюдали то, что напоминало стопки Брэгга — чередующиеся слои кремнезема, отражающие определенные длины волн света.

«Вероятно, это процесс коррозии и реконструкции», — сказал Гуидетти. «Окружающая глина и дождь определили диффузию минералов и циклическую коррозию кремнезема в стекле. При этом сборка слоев толщиной 100 нанометров, объединяющих кремнезем и минералы, также происходила циклично. Результатом является невероятно упорядоченное расположение сотен слоев кристаллического материала».

Это понимание может оказаться ценным. Что, если исследователи смогут ускорить этот процесс и начать массовое производство оптических материалов? Вместо производства мы могли бы просто их выращивать!

От упадка к блеску

Рим с его прочными сооружениями, такими как акведуки, дороги и храмы, отражает стойкость, подобную своему стеклу. Структуры растут и рушатся под влиянием войн, социальных сдвигов и неустанного хода времени. По словам Гуидетти, по мере того, как город развивался, сами кристаллы на стекле служат летописью его экологической истории.

В мире, где прошлое и настоящее часто переплетаются, эти вековые фрагменты стекла, рассказывающие истории трансформации, напоминают нам о бесконечной способности природы творить чудеса. Кто бы мог подумать, что простой осколок прошлых лет сможет пролить свет на тонкости современной науки? Природа, как всегда, остается величайшим художником и новатором из всех.

Выводы появились в Труды Национальной академии наук .