Các mảnh thủy tinh La Mã cổ đại đã thay đổi qua nhiều thế kỷ, cho phép các nhà khoa học hiện đại nhìn thấy những ứng dụng công nghệ tiềm năng trong quá khứ và tương lai. Bị chôn vùi hàng nghìn năm, những mảnh vỡ này trải qua những thay đổi về mặt phân tử, cuối cùng hình thành nên các tinh thể quang tử hiện được sử dụng trong công nghệ tiên tiến. Các nhà nghiên cứu Omenetto và Guidetti bị mê hoặc bởi quá trình chế tạo nano tự nhiên này đến mức họ đã tiến hành các nghiên cứu chi tiết cho thấy những thay đổi cấu trúc phức tạp của thủy tinh. Phát hiện của họ không chỉ làm sáng tỏ sự phát triển của thương mại toàn cầu cổ đại và kiến trúc La Mã mà còn gợi ý những cách thức mới đầy tiềm năng để tạo ra vật liệu quang học.
Các nhà nghiên cứu tiết lộ quá trình ăn mòn và kết tinh qua nhiều thế kỷ để tạo thành tinh thể quang tử.
Khoảng 2.000 năm trước ở La Mã cổ đại, những hộp thủy tinh chứa đầy rượu, nước hoặc nước hoa lạ rơi khỏi bàn chợ và vỡ thành vô số mảnh trên mặt đất. Trong nhiều thế kỷ tiếp theo, các mảnh vỡ bị chôn vùi dưới lớp đất, sỏi và liên tục bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm và các khoáng chất xung quanh.
Giờ đây, những mảnh thủy tinh nhỏ bé này đã được phát hiện từ các công trường xây dựng và các cuộc khai quật khảo cổ, và chúng tiết lộ điều gì đó phi thường. Bề mặt của chúng được trang trí bằng các màu sắc sặc sỡ như xanh lam, xanh lá cây và cam, và một số còn có những tấm gương vàng lấp lánh.
Những mảnh thủy tinh xinh đẹp này thường được đặt làm đồ trang sức như mặt dây chuyền hoặc khuyên tai, trong khi những mảnh lớn hơn, hoàn chỉnh hơn được trưng bày trong bảo tàng.
Tinh thể quang tử và ý nghĩa của chúng
Đối với Fiorenz, giáo sư kỹ thuật Silklab tại Đại học Tufts và chuyên gia khoa học vật liệu Đối với Omenetto và Giulia Guidetti, điều thú vị là cách các phân tử trong thủy tinh sắp xếp lại và kết hợp lại với các khoáng chất qua hàng nghìn năm để hình thành cái gọi là tinh thể quang tử -- sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử lọc và phản xạ ánh sáng theo những cách rất cụ thể.
Tinh thể quang tử có nhiều ứng dụng trong công nghệ hiện đại. Chúng có thể được sử dụng để chế tạo ống dẫn sóng, công tắc quang học và các thiết bị khác cho phép truyền thông quang học nhanh chóng trong máy tính và Internet. Bởi vì các tinh thể quang tử có thể chặn các bước sóng ánh sáng nhất định trong khi cho phép các bước sóng khác đi qua, nên chúng được sử dụng trong các bộ lọc, tia laser, gương và các thiết bị chống phản xạ (che đậy).
Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS), Omenetto, Guidetti và các cộng tác viên của họ đã báo cáo các cấu trúc nguyên tử và khoáng chất độc đáo được hình thành từ các thành phần khoáng chất và silicat ban đầu của thủy tinh, bị ảnh hưởng bởi sự biến động về độ pH của môi trường xung quanh và mực nước ngầm trong đất.
Dự án này bắt đầu bằng chuyến thăm tình cờ tới Trung tâm Công nghệ Di sản Văn hóa của Viện Công nghệ Ý (IIT). Omenetto cho biết: “Mảnh thủy tinh đẹp đẽ, lấp lánh trên kệ này đã thu hút sự chú ý của chúng tôi”. “Đó là một mảnh thủy tinh La Mã được tìm thấy gần thành phố cổ Aquileia, Ý.” Giám đốc trung tâm Arianna Traviggia cho biết nhóm của cô trìu mến gọi nó là 'Chiếc kính tuyệt vời'. Họ quyết định xem xét kỹ hơn.
Các nhà nghiên cứu sớm nhận ra rằng những gì họ đang nhìn thấy là quá trình chế tạo nano các tinh thể quang tử trong tự nhiên. Omenetto nói: “Điều thực sự đáng chú ý là thủy tinh đã bị chôn vùi trong bùn suốt hai nghìn năm nay lại trở thành một ví dụ điển hình trong sách giáo khoa về thiết bị quang tử nano”. "TAG PH80
Ăn mòn và tái thiết
Theo phân tích hóa học của nhóm Viện Công nghệ Ấn Độ, mảnh thủy tinh có niên đại từ thế kỷ 1 trước Công nguyên đến thế kỷ 1 trước Công nguyên và được sản xuất trên vùng cát của Ai Cập - phù hợp với chuỗi thương mại thủy tinh toàn cầu lúc bấy giờ. Phần thân chính của mảnh thủy tinh này vẫn giữ nguyên màu xanh đậm ban đầu nhưng có một lớp gỉ dày hàng milimet trên bề mặt, tạo cho nó sự phản chiếu màu vàng gần như gương hoàn hảo. Omenetto và Guidetti đã sử dụng một loại kính hiển vi điện tử quét mới không chỉ hiển thị cấu trúc của vật liệu mà còn cung cấp khả năng phân tích nguyên tố.
Guidetti cho biết: "Dụng cụ này có thể cho bạn biết ở độ phân giải cao vật liệu được làm từ gì và các phần tử được kết hợp với nhau như thế nào."
Nghiên cứu phát hiện ra rằng lớp gỉ có cấu trúc phân lớp bao gồm các lớp silica rất đều đặn, dày micromet với mật độ cao và thấp xen kẽ, tương tự như tấm phản xạ được gọi là ngăn xếp Bragg. Mỗi ngăn xếp Bragg phản ánh mạnh mẽ một bước sóng ánh sáng tương đối hẹp khác nhau. Hàng chục ngăn xếp Bragg xếp chồng theo chiều dọc tạo ra vẻ ngoài được phản chiếu bằng vàng patina.
Cấu trúc này dần hình thành như thế nào? Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một cơ chế khả thi đã được nghiên cứu kiên nhẫn trong nhiều thế kỷ. Guidetti cho biết: "Đây rất có thể là một quá trình xói mòn và tái thiết. Đất sét và nước mưa xung quanh quyết định sự khuếch tán của khoáng chất và sự ăn mòn định kỳ của silica trong thủy tinh. Đồng thời, việc lắp ráp các lớp dày 100 nanomet kết hợp silica và khoáng chất cũng diễn ra theo chu kỳ. Kết quả là sự sắp xếp có trật tự đáng kinh ngạc của hàng trăm lớp vật liệu tinh thể".
Omenetto nói thêm: "Mặc dù tuổi thọ của thủy tinh có thể là một phần tạo nên sức hấp dẫn của nó, nhưng trong trường hợp này, nếu chúng ta có thể tăng tốc đáng kể quy trình trong phòng thí nghiệm, chúng ta có thể tìm ra cách phát triển vật liệu quang học thay vì chế tạo chúng."
Historical Song song
Các quá trình phân rã và tái thiết phân tử có một số điểm tương đồng với chính thành phố Rome. Người La Mã cổ đại rất quan tâm đến việc xây dựng các công trình kiến trúc lâu dài như cống dẫn nước, đường sá, nhà hát vòng tròn và đền thờ. Nhiều tòa nhà trong số này đã trở thành nền tảng của địa hình thành phố.
Qua nhiều thế kỷ, thành phố đã phát triển theo từng lớp, với các tòa nhà mọc lên và sụp đổ do chiến tranh, bất ổn xã hội và thời gian trôi qua. Vào thời Trung Cổ, người ta sử dụng những vật liệu xây dựng cổ xưa đổ nát và bị bỏ hoang để xây dựng những công trình mới. Trong thời hiện đại, đường phố và các tòa nhà thường được xây dựng trực tiếp trên nền móng cổ.
Guidetti cho biết: "Các tinh thể phát triển trên bề mặt kính cũng phản ánh những thay đổi về điều kiện bề mặt trong quá trình phát triển đô thị và là một kỷ lục về lịch sử của môi trường đô thị."