La scoperta dei cristalli fotonici nell’antico vetro romano
Recenti ricerche hanno portato alla luce una scoperta sorprendente: frammenti di vetro risalenti all’antica Roma, trasformati nel corso dei secoli, contengono cristalli fotonici con potenziali utilizzi nella tecnologia moderna. Questi ritrovamenti non solo offrono uno spaccato sui materiali antichi, ma riflettono anche l’evoluzione storica e ambientale di Roma.
La creazione dei cristalli fotonici attraverso la corrosione e la cristallizzazione
Circa 2.000 anni fa, nell’antica Roma, vasi di vetro contenenti vino, acqua o forse profumi esotici, cadevano da un tavolo in un mercato e si frantumavano in pezzi sulla strada. Con il passare dei secoli, questi frammenti venivano coperti da strati di polvere e terra ed esposti a un ciclo continuo di variazioni di temperatura, umidità e minerali circostanti.
Ora questi piccoli pezzi di vetro vengono scoperti in cantieri edili e scavi archeologici e si rivelano essere qualcosa di straordinario. Sulla loro superficie si trova un mosaico di colori iridescenti di blu, verde e arancione, con alcuni che mostrano specchi dorati cangianti.
Questi bellissimi manufatti di vetro sono spesso incastonati in gioielli come ciondoli o orecchini, mentre oggetti più grandi e completi sono esposti nei musei.
La scienza moderna incontra gli antichi manufatti
Per Fiorenzo Omenetto e Giulia Guidetti, professori di ingegneria presso il Silklab della Tufts University ed esperti in scienza dei materiali, ciò che affascina è come le molecole nel vetro si siano riorganizzate e ricombinate con i minerali nel corso di migliaia di anni per formare ciò che viene chiamato cristalli fotonici – disposizioni ordinate di atomi che filtrano e riflettono la luce in modi molto specifici.
I cristalli fotonici hanno molteplici 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 mentre ne consentono il passaggio di altre, sono utilizzati in filtri, laser, specchi e dispositivi anti-riflesso (stealth).
In uno studio recente pubblicato sulle Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) USA, Omenetto, Guidetti e collaboratori riportano sulle uniche strutture atomiche e minerali che si sono formate a partire dai costituenti originali di silicato e minerali del vetro, modulate dal pH dell’ambiente circostante e dai livelli fluttuanti di acque sotterranee nel suolo.
Una scoperta casuale porta a intuizioni scientifiche
Il progetto è iniziato per caso durante una visita al Centro per la Tecnologia del Patrimonio Culturale dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT). “Questo bellissimo pezzo di vetro scintillante sulla mensola ha attirato la nostra attenzione”, ha detto Omenetto. “Era un frammento di vetro romano recuperato vicino all’antica città di Aquileia in Italia”. Arianna Traviglia, direttrice del Centro, ha detto che il suo team lo chiamava affettuosamente il ‘vetro wow’. Hanno deciso di esaminarlo più da vicino.
I ricercatori si sono presto resi conto che ciò che stavano osservando era la nanofabbricazione di cristalli fotonici da parte della natura. “È davvero notevole che tu abbia del vetro che è seduto nel fango per due millenni e finisci con qualcosa che è un esempio da manuale di un componente nanofotonico”, ha detto Omenetto.
Scoprire il processo dietro la bellezza
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 dalle sabbie dell’Egitto – un’indicazione del commercio globale dell’epoca. La maggior parte del frammento ha conservato il suo colore verde scuro originale, ma sulla sua superficie si trovava una patina spessa un millimetro che aveva una riflessione quasi perfetta simile a uno specchio dorato. 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. “In sostanza, è uno strumento che può dirti con alta risoluzione di cosa è fatto il materiale e come gli elementi sono messi insieme”, ha detto Guidetti.
Hanno potuto vedere che la patina possedeva una struttura gerarchica composta da strati di silice altamente regolari e spessi un micrometro di densità alternata alta e bassa che assomigliavano a riflettori noti come pile di Bragg. Ogni pila di Bragg rifletteva fortemente diverse lunghezze d’onda relativamente strette di luce. L’impilamento verticale di decine di pile di Bragg ha portato all’aspetto dello 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. ”Questo è probabilmente un processo di corrosione e ricostruzione”, ha detto Guidetti. “L’argilla circostante e la pioggia hanno determinato la diffusione dei minerali e una corrosione ciclica della silice nel vetro. Allo stesso tempo, si è verificato anche un assemblaggio ciclico di strati spessi 100 nanometri che combinavano la silice e i minerali. Il risultato è un arrangiamento incredibilmente ordinato di centinaia di strati di materiale cristallino.”
“Mentre l’età del vetro può essere parte del suo fascino, in questo caso se potessimo accelerare significativamente il processo in laboratorio potremmo trovare un modo per far crescere materiali ottici piuttosto che produrli”, ha aggiunto Omenetto.
La storia di Roma riflessa nel vetro
Il processo molecolare di decadimento e ricostruzione ha alcuni paralleli con la città di Roma stessa. Gli antichi Romani avevano una propensione per creare strutture durature come acquedotti, strade, anfiteatri e templi. Molte di queste strutture sono diventate la base della topografia della città.
Nel corso dei secoli, la città è cresciuta a strati, con edifici che sorgono e cadono con i cambiamenti portati dalle guerre, dai tumulti sociali e dal passare del tempo. Nel Medioevo, le persone utilizzavano materiali da edifici antichi rotti e abbandonati per nuove costruzioni. Ai tempi moderni, strade e edifici sono spesso costruiti direttamente sopra le fondamenta antiche.
“I cristalli cresciuti sulla superficie del vetro sono anche un riflesso dei cambiamenti nelle condizioni che si sono verificati nel terreno mentre la città si evolveva – un registro della sua storia ambientale”, ha detto Guidetti.
Riferimento: “Cristalli fotonici costruiti dal tempo nel vetro romano antico” di Giulia Guidetti, Roberta Zanini, Giulia Franceschin, Mauro Moglianetti, Taehoon Kim, Nathaniel Cohan, Lisa Chan, John Treadgold, Arianna Traviglia e Fiorenzo G. Omenetto, 18 settembre 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
