Forscher haben herausgefunden, wie über Jahrhunderte hinweg durch Korrosion und Kristallisation photonische Kristalle entstanden sind. Vor etwa 2.000 Jahren rollten im antiken Rom Glasgefäße mit Wein, Wasser oder exotischen Parfümen von den Markttischen und zerbrachen auf den Straßen. Im Laufe der Jahrhunderte wurden die Fragmente mit Staub- und Schmutzschichten bedeckt und waren ständigen Zyklen von Temperatur, Feuchtigkeit und umgebenden Mineralien ausgesetzt.
Nun wurden diese winzigen Glassplitter auf Baustellen und bei archäologischen Ausgrabungen freigelegt und offenbaren etwas Außergewöhnliches. Ihre Oberflächen sind mit bunten Farben wie Blau, Grün und Orange übersät und teilweise mit goldschimmernden Spiegeln versehen.
Diese wunderschönen Glasstücke werden oft als Anhänger oder Ohrringe in Schmuck eingearbeitet, während größere, vollständigere Stücke in Museen ausgestellt werden.
Für Omenetto und Guidetti, Silklab-Ingenieurprofessoren an der Tufts University und Materialwissenschaftsexperten, ist es faszinierend, wie sich die Moleküle im Glas über Jahrtausende hinweg neu angeordnet und mit Mineralien kombiniert haben, um sogenannte photonische Kristalle zu bilden – geordnete Anordnungen von Atomen, die Licht auf ganz bestimmte Weise filtern und reflektieren.
Photonische Kristalle finden in der modernen Technologie viele Anwendungen. Sie können zur Herstellung von Wellenleitern, optischen Schaltern und anderen Geräten verwendet werden, die eine schnelle optische Kommunikation in Computern und im Internet ermöglichen. Da photonische Kristalle bestimmte Lichtwellenlängen blockieren und andere Wellenlängen durchlassen können, werden sie in Filtern, Lasern, Spiegeln und Antireflexionsgeräten (Tarnvorrichtungen) verwendet.
In einer kürzlich in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlichten Studie berichten Omenetto, Guidetti und ihre Mitarbeiter über einzigartige atomare und mineralische Strukturen, die aus den ursprünglichen Silikat- und Mineralbestandteilen des Glases gebildet werden und durch den pH-Wert der Umgebung und Schwankungen des Wasserspiegels im Boden beeinflusst werden.
Das Projekt begann mit einem zufälligen Besuch im Cultural Heritage Technology Center des Italian Institute of Technology (IIT). „Dieses wunderschöne schimmernde Glasstück im Regal erregte unsere Aufmerksamkeit“, sagte Omenetto.
Dabei handelt es sich um eine römische Glasscherbe, die in der Nähe der antiken Stadt Aquileia in Italien gefunden wurde. Center-Direktorin Arianna Traviggia sagte, ihr Team nenne es liebevoll „Wow Glass“. Sie beschlossen, genauer hinzusehen.
Die Forscher erkannten bald, dass es sich bei dem, was sie sahen, um die Nanofabrikation photonischer Kristalle durch die Natur handelte. „Es ist wirklich bemerkenswert, dass Glas, das zweitausend Jahre lang im Schlamm abgelagert wurde, zu einem Musterbeispiel für ein nanophotonisches Gerät geworden ist“, sagte Omenetto.
Laut chemischer Analyse des IIT-Teams wird der Glasscherben auf die Zeit zwischen dem 1. Jahrhundert v. Chr. und dem 1. Jahrhundert v. Chr. datiert und im Sand Ägyptens hergestellt – ein Hinweis auf den damaligen Welthandel. Der Hauptkörper dieser Glasscherbe behält seine ursprüngliche dunkelgrüne Farbe, weist jedoch eine millimeterdicke Patina auf seiner Oberfläche auf, die ihm einen nahezu perfekten, spiegelähnlichen goldenen Glanz verleiht. Omenetto und Guidetti verwendeten ein neuartiges Rasterelektronenmikroskop, das nicht nur die Struktur des Materials zeigt, sondern auch eine Elementaranalyse ermöglicht. Dieses Instrument kann uns mit hoher Auflösung sagen, woraus ein Material besteht und wie die Elemente zusammenpassen.
Sie konnten erkennen, dass die Patina eine Schichtstruktur aus sehr regelmäßigen, mikrometerdicken Siliziumdioxidschichten aufwies, die zwischen hoher und niedriger Dichte wechselten, ähnlich wie bei Reflektoren, die als Bragg-Stacks bekannt sind. Jeder Bragg-Stapel reflektiert stark eine andere, relativ schmale Lichtwellenlänge. Durch die vertikale Stapelung von Dutzenden von Bragg-Stapeln entsteht ein patinagoldener Spiegeleffekt.
Wie hat sich diese Struktur nach und nach gebildet? Forscher haben einen möglichen Mechanismus vorgeschlagen, der seit Jahrhunderten geduldig untersucht wird. „Dies ist höchstwahrscheinlich ein Prozess der Korrosion und des Wiederaufbaus“, sagte Guidetti. „Der umgebende Ton und das Regenwasser bestimmen die Diffusion von Mineralien und die periodische Korrosion der Kieselsäure im Glas. Gleichzeitig werden auch 100 Nanometer dicke Schichten aus Kieselsäure und Mineralien zyklisch aufgebaut. Das Ergebnis ist eine unglaublich geordnete Anordnung von Hunderten von Schichten kristallinen Materials.“
„Während das Alter des Glases vielleicht einen Teil seines Charmes ausmacht, könnten wir in diesem Fall, wenn wir den Prozess im Labor erheblich beschleunigen könnten, einen Weg finden, optische Materialien zu züchten, anstatt sie herzustellen“, fügte Omenetto hinzu.
Die molekularen Prozesse des Verfalls und des Wiederaufbaus weisen gewisse Ähnlichkeiten mit der Stadt Rom selbst auf. Die alten Römer legten großen Wert auf den Bau langlebiger Bauwerke wie Aquädukte, Straßen, Amphitheater und Tempel. Viele dieser Gebäude wurden zur Grundlage der Topographie der Stadt.
Im Laufe der Jahrhunderte ist die Stadt schichtweise gewachsen, wobei als Reaktion auf Krieg, soziale Unruhen und den Lauf der Zeit Gebäude auf- und abstürzten. Im Mittelalter nutzten die Menschen verfallene und verlassene antike Baumaterialien, um neue Gebäude zu bauen. In der Neuzeit werden Straßen und Gebäude oft direkt auf antiken Fundamenten errichtet.
„Die auf der Glasoberfläche wachsenden Kristalle spiegeln auch Veränderungen der Oberflächenbedingungen während der Stadtentwicklung wider und sind ein Zeugnis der Geschichte der städtischen Umwelt“, sagte Guidetti.
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily