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(noticias nanowerk) Hace unos 2.000 años, en la antigua Roma, recipientes de vidrio que contenían vino o agua o quizás perfumes exóticos cayeron de una mesa en un mercado y se hicieron añicos en la calle. Con el paso de los siglos, los fragmentos quedaron cubiertos por capas de polvo y tierra y quedaron expuestos a constantes cambios de temperatura, humedad y minerales circundantes.
Ahora estos pequeños trozos de vidrio se están descubriendo en obras de construcción y excavaciones arqueológicas y están demostrando ser algo extraordinario. En su superficie se puede ver un mosaico de colores iridiscentes como azul, verde y naranja, algunos también tienen espejos de color dorado reluciente.
Estos hermosos artefactos de vidrio a menudo se incorporan a la joyería como colgantes o aretes, mientras que en los museos se exhiben objetos más grandes y completos.
Para Fiorenzo Omenetto y Giulia Guidetti, profesores de ingeniería en el Silklab de la Universidad de Tufts y expertos en ciencia de materiales, es fascinante cómo las moléculas del vidrio se han reorganizado a lo largo de milenios y se han combinado con minerales para formar los llamados cristales fotónicos, conjuntos ordenados de átomos que Filtran y reflejan la luz de una manera muy específica.
Los cristales fotónicos tienen muchas aplicaciones en la tecnología moderna. Se pueden utilizar para crear guías de ondas, conmutadores ópticos y otros dispositivos para comunicaciones ópticas de muy alta velocidad en computadoras y a través de Internet. Debido a que pueden diseñarse para bloquear ciertas longitudes de onda de luz y dejar pasar otras, se usan en filtros, láseres, espejos y dispositivos antirreflectantes (ocultos).
En un estudio publicado recientemente en el Actas de Ciencias Nacionales de EE. UU. (“Cristales fotónicos formados a lo largo del tiempo en vidrio romano antiguo”) Omenetto, Guidetti y sus compañeros de trabajo informan sobre las estructuras atómicas y minerales únicas que se formaron a partir de los componentes minerales y de silicato originales del vidrio, moduladas por el valor de pH del medio ambiente. y los niveles fluctuantes de agua subterránea en el suelo.
El proyecto comenzó por casualidad durante una visita al Centro de Tecnología del Patrimonio del Instituto Italiano de Tecnología (IIT). “Esta hermosa pieza de vidrio brillante en el estante nos llamó la atención”, dijo Omenetto. «Era un fragmento de vidrio romano encontrado cerca de la antigua ciudad de Aquileia en Italia.» Arianna Traviglia, directora del centro, dijo que su equipo lo llamó cariñosamente «Wow Glass». Decidieron echar un vistazo más de cerca.
Los investigadores pronto se dieron cuenta de que se trataba de la nanofabricación de cristales fotónicos que se encuentran en la naturaleza. «Es realmente sorprendente que tengas vidrio que permanezca en el barro durante dos milenios y termines con algo que es un ejemplo de libro de texto de un componente nanofotónico», dijo Omenetto.
Corrosión y reconstrucción
El análisis químico del equipo del IIT fechó el fragmento de vidrio entre el siglo I a.C. C. y el siglo I d.C. y procede de las playas de arena de Egipto, una referencia al comercio mundial de aquella época. La mayor parte del fragmento conservaba su color verde oscuro original, pero había una pátina de un milímetro de espesor en su superficie que tenía un reflejo dorado casi perfecto como un espejo. Omenetto y Guidetti utilizaron un nuevo tipo de microscopio electrónico de barrido, que no sólo hace visible la estructura del material sino que también permite el análisis elemental. «Básicamente, es un instrumento que puede decirte en alta resolución de qué está hecho el material y cómo se combinan los elementos», dijo Guidetti.
Pudieron ver que la pátina tenía una estructura jerárquica que consistía en capas de sílice muy regulares, de micrones de espesor, alternando densidades altas y bajas, asemejándose a reflectores conocidos como pilas de Bragg. Cada pila de Bragg reflejaba longitudes de onda de luz muy diferentes y relativamente estrechas. Al apilar verticalmente docenas de pilas de Bragg se obtuvo la imagen especular dorada de la pátina.
¿Cómo se formó esta estructura con el tiempo? Los investigadores sospechan de un posible mecanismo que se ha ido produciendo pacientemente durante siglos. «Es probable que se trate de un proceso de corrosión y reconstrucción», dijo Guidetti. “La arcilla circundante y la lluvia determinaron la difusión de minerales y la corrosión cíclica de la sílice en el vidrio. Al mismo tiempo, se formaron cíclicamente capas de 100 nanómetros de espesor que combinaban dióxido de silicio y minerales. El resultado es una disposición increíblemente ordenada de cientos de capas de material cristalino”.
«Si bien la edad del vidrio puede ser parte de su encanto, en este caso, si pudiéramos acelerar significativamente el proceso en el laboratorio, podríamos encontrar una manera de cultivar materiales ópticos en lugar de fabricarlos», añadió Omenetto.
El proceso molecular de decadencia y reconstrucción tiene algunos paralelos con la propia ciudad de Roma. Los antiguos romanos tenían predilección por construir estructuras duraderas como acueductos, carreteras, anfiteatros y templos. Muchas de estas estructuras formaron la base de la topografía de la ciudad.
A lo largo de los siglos, la ciudad ha crecido en capas, con edificios que suben y bajan con los cambios provocados por las guerras, el malestar social y el paso del tiempo. En la Edad Media, la gente utilizaba materiales de edificios antiguos destruidos y abandonados para construir otros nuevos. Hoy en día, las calles y los edificios suelen construirse directamente sobre cimientos antiguos.
«Los cristales que crecen en la superficie del vidrio también reflejan los cambios en las condiciones del suelo que ocurrieron a medida que la ciudad se desarrolló, un registro de su historia ambiental», dijo Guidetti.
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