研究者らは、フォトニック結晶が何世紀にもわたって腐食と結晶化を通じてどのように生成されてきたかを明らかにした。約 2,000 年前、古代ローマでは、ワイン、水、またはエキゾチックな香水が入ったガラスの容器が市場のテーブルから転がり落ち、路上で砕け散りました。何世紀にもわたって、破片は塵や土の層で覆われ、温度、湿度、周囲の鉱物の一定のサイクルにさらされました。
現在、これらの小さなガラスの破片が建設現場や考古学的発掘現場から発見され、驚くべきものを明らかにしています。表面には青、緑、オレンジなどのカラフルな色がちりばめられており、きらめく金の鏡が施されているものもあります。
これらの美しいガラス片はペンダントやイヤリングとしてジュエリーにセットされることが多く、さらに大きくて完成度の高いガラス片は美術館に展示されています。
タフツ大学のシルクラボ工学教授で材料科学の専門家でもあるオメネット氏とグイデッティ氏にとって、興味深いのは、ガラス内の分子が何千年にもわたってどのように再配列され、鉱物と再結合して、いわゆるフォトニック結晶、つまり非常に特殊な方法で光をフィルタリングし、反射する原子の規則正しい配列を形成する方法であるということだ。
フォトニック結晶は現代の技術において多くの用途があります。これらは、コンピュータやインターネットでの高速光通信を可能にする導波路、光スイッチ、その他のデバイスの製造に使用できます。フォトニック結晶は、特定の波長の光を遮断し、他の波長を通過させることができるため、フィルター、レーザー、ミラー、反射防止 (クローキング) デバイスに使用されます。
米国科学アカデミー紀要 (PNAS) に掲載された最近の研究で、オメネット、グイデッティ、および彼らの共同研究者らは、ガラスの元のケイ酸塩と鉱物成分から形成される独特の原子および鉱物構造を報告しています。これらの構造は、周囲環境の pH や土壌中の水位の変動によって影響を受けます。
このプロジェクトは、イタリア工科大学 (IIT) の文化遺産技術センターへの偶然の訪問から始まりました。 「棚の上にあるこの美しいきらめくガラスが私たちの注意を引きました」とオメネットさんは語った。
これは、イタリアの古代都市アクイレイアの近くで発見されたローマン グラスの破片です。センター所長のアリアナ・トラヴィッジャさんは、彼女のチームは愛情を込めてこのガラスを「ワウ・グラス」と呼んでいると語った。彼らは詳しく調べてみることにしました。
研究者らはすぐに、自分たちが見ているのは自然によるフォトニック結晶のナノ加工であることに気づきました。 「2000年にわたって泥の中に堆積してきたガラスが、最終的にナノフォトニクスデバイスの教科書的な例になったのは本当に驚くべきことだ」とオメネット氏は語った。
IITチームによる化学分析によると、このガラスの破片は紀元前1世紀から紀元前1世紀の間に作られたもので、エジプトの砂で産出したことが判明しており、当時の世界貿易の痕跡となっている。このガラスの破片の本体は元の濃い緑色を保っていますが、表面に数ミリメートルの厚さの緑青があり、ほぼ完璧な鏡のような金色の反射を与えています。 Omenetto と Guidetti は、材料の構造を表示するだけでなく、元素分析も行う新しいタイプの走査型電子顕微鏡を使用しました。この機器は、材料が何でできているか、要素がどのように組み合わされているかを高解像度で教えてくれます。
研究者らは、緑青が、ブラッグスタックとして知られる反射板と同様に、高密度と低密度を交互に繰り返す、非常に規則的でマイクロメートルの厚さの二酸化ケイ素の層で構成される層状構造をしていることを確認できた。各ブラッグ スタックは、異なる比較的狭い波長の光を強く反射します。数十のブラッグスタックを垂直に積み重ねることで、緑青のような金色の鏡面の外観が生まれます。
この構造はどのようにして徐々に形成されたのでしょうか?研究者たちは、何世紀にもわたって辛抱強く研究されてきた可能性のあるメカニズムを提案しました。 「これは腐食と再構築の過程である可能性が最も高い」とグイデッティ氏は述べた。 「周囲の粘土と雨水が、鉱物の拡散とガラス内のシリカの周期的な腐食を決定します。同時に、シリカと鉱物を組み合わせた厚さ100ナノメートルの層も周期的に組み立てられます。その結果、何百もの結晶質物質の層が信じられないほど規則正しく配置されます。」
「ガラスの古さも魅力の一部かもしれないが、今回の場合、実験室でのプロセスを大幅にスピードアップできれば、光学材料を製造するのではなく成長させる方法が見つかるかもしれない」とオメネット氏は付け加えた。
崩壊と再建の分子プロセスには、ローマの都市そのものといくつかの類似点があります。古代ローマ人は、水道橋、道路、円形劇場、神殿など、長持ちする建造物の建設に熱心でした。これらの建物の多くは都市の地形の基礎となりました。
何世紀にもわたって、戦争、社会不安、時間の経過に応じて建物が浮き沈みしながら、都市は層状に成長してきました。中世、人々は荒廃して放棄された古代の建築資材を使って新しい建物を建てていました。現代では、街路や建物は古代の基礎の上に直接建てられることがよくあります。
「ガラス表面に成長する結晶も都市開発中の表面状態の変化を反映しており、都市環境の歴史の記録である」とグイデッティ氏は述べた。
コンパイルされたソース: ScitechDaily