研究人员揭示古罗马玻璃几个世纪以来腐蚀和结晶形成光子晶体的过程

研究人员揭示了几个世纪以来腐蚀和结晶形成光子晶体的过程。

大约 2000 年前，在古罗马，装满葡萄酒、水或异国香水的玻璃容器从集市的桌子上掉落，在地上摔成无数碎片。在随后的几个世纪里，这些碎片被埋在土层和碎石之下，并不断受到温度、湿度和周围矿物质变化的影响。

现在，这些微小的玻璃碎片从建筑工地和考古挖掘中被发现，并展现出非同寻常的一面。它们的表面镶嵌着蓝色、绿色和橙色等五彩缤纷的颜色，有些还显示出闪闪发光的金色镜面。

这些美丽的玻璃制品通常作为吊坠或耳环镶嵌在珠宝上，而更大更完整的物件则陈列在博物馆中。

光子晶体及其意义

对于塔夫茨大学 Silklab 工程学教授、材料科学专家菲奥伦佐-奥梅内托（Fiorenzo Omenetto）和朱莉娅-圭德蒂（Giulia Guidetti）来说，令人着迷的是玻璃中的分子如何经过数千年的重新排列并与矿物重新组合，形成所谓的光子晶体--原子的有序排列，以非常特殊的方式过滤和反射光线。

光子晶体在现代科技中有许多应用。它们可用于制造波导、光开关和其他设备，在计算机和互联网上实现快速光通信。由于光子晶体可以阻挡特定波长的光，同时允许其他波长的光通过，因此可用于滤波器、激光器、镜子和防反射（隐形）装置。

古罗马玻璃表面的光子晶体微观图。图片来源：Giulia Guidetti

在最近发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一项研究中，奥梅内托、圭代蒂及其合作者报告了由玻璃的原始硅酸盐和矿物成分形成的独特原子和矿物结构，这些结构受周围环境的 pH 值和土壤中地下水水平波动的影响。

这个项目始于一次参观意大利理工学院（IIT）文化遗产技术中心的偶然机会。欧梅内托说："架子上这块闪闪发光的美丽玻璃吸引了我们的注意。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。"中心主任阿里安娜-特拉维吉亚说，她的团队亲切地称它为'Wow玻璃'。他们决定仔细观察一下。

研究人员很快意识到，他们看到的是大自然对光子晶体的纳米加工。奥梅内托说："在泥浆中沉积了两千年的玻璃，最终却成为了纳米光子元件的教科书式范例，这真的很了不起。"

腐蚀与重建

根据印度理工学院团队的化学分析，这块玻璃碎片的年代在公元前 1 世纪到公元前 1 世纪之间，产地是埃及的沙地--这与当时的全球玻璃贸易链条吻合。这块玻璃碎片的主体保留了其原有的墨绿色，但在其表面有一毫米厚的铜锈，几乎呈现出完美的镜面金色反光。奥梅内托和圭代蒂使用了一种新型扫描电子显微镜，它不仅能显示材料的结构，还能提供元素分析。

圭代蒂说："这种仪器能以高分辨率告诉你材料是由什么构成的，以及元素是如何组合在一起的。"

研究发现，铜绿具有一种分层结构，由高度规则、微米厚的二氧化硅层组成，密度高低交替，类似于被称为布拉格叠层的反射器。每个布拉格堆栈都能强烈反射不同的、波长相对较窄的光线。数十个布拉格叠层的垂直堆积形成了铜绿的金色镜面外观。

这种结构是如何逐渐形成的呢？研究人员提出了一种可能的机制，这种机制经过了几个世纪的耐心研究。圭代蒂说："这很可能是一个腐蚀和重建的过程。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，结合二氧化硅和矿物质的 100 纳米厚层的组装也在循环进行。其结果是数百层结晶材料形成了令人难以置信的有序排列"。

奥梅内托补充说："虽然玻璃的年龄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大大加快这一过程，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。"

历史平行

衰变和重建的分子过程与罗马城本身有一些相似之处。古罗马人热衷于建造长久的建筑，如渡槽、道路、圆形剧场和神庙。其中许多建筑成为了城市地形的基础。

几个世纪以来，这座城市层层发展，建筑物随着战争、社会动荡和时间的流逝而兴衰。在中世纪，人们利用残破和废弃的古建筑材料进行新建。在现代，街道和建筑往往直接建在古代地基之上。

圭代蒂说："玻璃表面生长的晶体也反映了城市发展过程中地表条件的变化，是城市环境历史的记录。"