Circa 2.000 anni fa, nell'antica Roma, vasi di vetro che trasportavano vino o acqua, o forse profumi esotici, cadevano da un tavolo in un mercato e si frantumavano per strada. Con il passare dei secoli, i frammenti furono ricoperti da strati di polvere e terra ed esposti a un ciclo continuo di cambiamenti di temperatura, umidità e minerali circostanti.
Ora questi minuscoli pezzi di vetro vengono scoperti da cantieri e scavi archeologici e si rivelano qualcosa di straordinario. Sulla loro superficie c'è un mosaico di colori iridescenti blu, verde e arancione, con alcuni che mostrano scintillanti specchi color oro.
Questi splendidi manufatti in vetro sono spesso incastonati in gioielli come ciondoli o orecchini, mentre oggetti più grandi e completi sono esposti nei musei.
Per Fiorenzo Omenetto e Giulia Guidetti, professori di ingegneria al Silklab della Tufts University ed esperti in scienza dei materiali, ciò che è affascinante è il modo in cui le molecole nel vetro si sono riorganizzate e ricombinate con i minerali nel corso di migliaia di anni per formare quelli che vengono chiamati cristalli fotonici:disposizioni ordinate di atomi che filtrano e riflettono la luce in modi molto specifici.
I cristalli fotonici hanno molte applicazioni nella tecnologia moderna. Possono essere utilizzati per creare guide d'onda, interruttori ottici e altri dispositivi per comunicazioni ottiche molto veloci nei computer e su Internet. Poiché possono essere progettati per bloccare determinate lunghezze d'onda della luce consentendo ad altre di passare, vengono utilizzati in filtri, laser, specchi e dispositivi antiriflesso (invisibili).
In uno studio pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , Omenetto, Guidetti e collaboratori riferiscono sulle strutture atomiche e minerali uniche che si sono formate dai costituenti minerali e silicati originali del vetro, modulati dal pH dell'ambiente circostante e dai livelli fluttuanti delle acque sotterranee nel terreno.
Il progetto è iniziato per caso durante una visita al Centro per le Tecnologie dei Beni Culturali dell'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT). "Questo bellissimo pezzo di vetro scintillante sullo scaffale ha attirato la nostra attenzione", ha detto Omenetto. "Era un frammento di vetro romano recuperato nei pressi dell'antica città di Aquileia, in Italia." Arianna Traviglia, direttrice del Centro, ha detto che il suo team lo chiama affettuosamente il "wow glass". Hanno deciso di dare un'occhiata più da vicino.
I ricercatori si sono presto resi conto che ciò a cui stavano guardando era la nanofabbricazione di cristalli fotonici per natura. "È davvero straordinario che tu abbia del vetro che rimane nel fango per due millenni e ti ritrovi con qualcosa che è un esempio da manuale di un componente nanofotonico", ha detto Omenetto.
L'analisi chimica del team dell'IIT ha datato il frammento di vetro tra il I secolo a.C. e il I secolo d.C., con origini nelle sabbie dell'Egitto, un'indicazione del commercio globale dell'epoca. La maggior parte del frammento conservava il suo originale colore verde scuro, ma sulla sua superficie era presente una patina spessa un millimetro che aveva un riflesso dorato quasi perfetto, simile a uno specchio.
Omenetto e Guidetti hanno utilizzato un nuovo tipo di microscopio elettronico a scansione che non solo rivela la struttura del materiale, ma fornisce anche un'analisi elementare. "Fondamentalmente è uno strumento in grado di dirti con alta risoluzione di cosa è fatto il materiale e come sono assemblati gli elementi", ha affermato Guidetti.
Potevano vedere che la patina possedeva una struttura gerarchica costituita da strati di silice altamente regolari, spessi micrometri, di alta e bassa densità alternata che somigliavano a riflettori noti come pile di Bragg. Ogni pila di Bragg rifletteva fortemente lunghezze d'onda della luce diverse e relativamente strette. L'impilamento verticale di decine di pile Bragg ha dato come risultato l'aspetto a specchio dorato della patina.
Come si è formata questa struttura nel tempo? I ricercatori suggeriscono un possibile meccanismo che si è svolto pazientemente nel corso dei secoli. "Si tratta probabilmente di un processo di corrosione e ricostruzione", ha affermato Guidetti.
"L'argilla circostante e la pioggia determinavano la diffusione dei minerali e una corrosione ciclica della silice nel vetro. Allo stesso tempo, anche l'assemblaggio di strati spessi 100 nanometri che combinavano la silice e i minerali avveniva in cicli. Il risultato è un risultato incredibilmente ordinato disposizione di centinaia di strati di materiale cristallino."
"Sebbene l'età del vetro possa essere parte del suo fascino, in questo caso se potessimo accelerare significativamente il processo in laboratorio potremmo trovare un modo per coltivare materiali ottici anziché produrli", ha aggiunto Omenetto.
Il processo molecolare di decadimento e ricostruzione ha alcuni parallelismi con la stessa città di Roma. Gli antichi romani avevano un debole per la creazione di strutture durevoli come acquedotti, strade, anfiteatri e templi. Molte di queste strutture divennero le fondamenta della topografia della città.
Da allora, nel corso dei secoli, la città è cresciuta a strati, con edifici che salivano e scendevano a causa dei cambiamenti portati dalle guerre, dagli sconvolgimenti sociali e dal passare del tempo. Nel medioevo, le persone utilizzavano materiali provenienti da antichi edifici distrutti e abbandonati per nuove costruzioni. Nei tempi moderni, le strade e gli edifici sono spesso costruiti direttamente sopra le antiche fondamenta.
"I cristalli cresciuti sulla superficie del vetro riflettono anche i cambiamenti nelle condizioni che si sono verificati nel terreno man mano che la città si è evoluta, una testimonianza della sua storia ambientale", ha affermato Guidetti.
Ulteriori informazioni: Guidetti, Giulia et al, Cristalli fotonici costruiti dal tempo nel vetro dell'antica Roma, Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (2023). DOI:10.1073/pnas.2311583120. doi.org/10.1073/pnas.2311583120
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dalla Tufts University
