‘Kaca mempesona’ Romawi kuno berisi tiara kristal fotonik yang dibentuk selama berabad-abad – Ars Technica

Alam adalah pembuat nano terbaik. Bukti terbaru dari hal ini adalah sepotong kaca Romawi kuno yang tidak biasa (dijuluki ‘kaca mempesona’) yang memiliki lapisan tipis berwarna emas. Pecahan kaca Romawi dicirikan oleh warna-warni biru, hijau dan oranye, dan merupakan hasil dari proses korosi yang secara perlahan menyusun kembali kaca menjadi… Kristal fotonikKemilau emas yang berkilauan seperti cermin pada cangkang ini adalah contoh langka dengan sifat optik yang tidak biasa, menurut Kertas baru Diterbitkan dalam Prosiding National Academy of Sciences.

Ini adalah contoh lain dari pewarnaan struktural yang terjadi secara alami. Seperti disebutkan sebelumnya, warna-warni cerah pada sayap kupu-kupu, gelembung sabun, opal, atau cangkang kumbang tidak berasal dari molekul pigmen apa pun, melainkan dari strukturnya, yang terjadi secara alami. Kristal fotonik. Di alam, misalnya, cangkang kitin (polisakarida yang umum ditemukan pada serangga) tersusun seperti genteng. Pada dasarnya, mereka membentuk a Kisi difraksiKecuali kristal fotonik hanya menghasilkan warna atau panjang gelombang cahaya tertentu, sedangkan kisi difraksi akan menghasilkan seluruh spektrum, seperti prisma.

Juga dikenal sebagai bahan celah pita fotonik, kristal fotonik bersifat “merdu”, yang berarti kristal tersebut disusun secara tepat untuk menghalangi panjang gelombang cahaya tertentu dan membiarkan gelombang cahaya lain melewatinya. Ubah strukturnya dengan mengubah ukuran ubin, dan kristal menjadi sensitif terhadap panjang gelombang yang berbeda. Mereka digunakan dalam komunikasi optik sebagai pandu gelombang dan sakelar, serta dalam filter, laser, cermin, dan banyak perangkat anti-pantulan tersembunyi.

Para ilmuwan dapat membuat material struktur berwarna sendiri di laboratorium, namun akan sulit untuk mengukur prosesnya untuk aplikasi komersial tanpa mengorbankan akurasi optik. Jadi menciptakan warna struktural seperti yang ditemukan di alam merupakan bidang penelitian material yang aktif. Misalnya saja awal tahun ini, para ilmuwan dari Universitas Cambridge dikembangkan Lapisan tanaman baru yang inovatif menjadi lebih sejuk saat terkena sinar matahari, sehingga ideal untuk mendinginkan bangunan atau mobil di masa depan tanpa memerlukan sumber daya eksternal apa pun. Film yang dibuat berwarna-warni, namun secara struktural diwarnai dalam bentuk nanokristal, bukan karena penambahan pigmen atau pigmen.

Tahun lalu, para ilmuwan MIT memodifikasi teknik holografik abad ke-19 yang ditemukan oleh fisikawan Gabriel Lippmann untuk mengembangkan film mirip bunglon yang berubah warna saat diregangkan. Film-film ini ideal untuk membuat perban yang berubah warna sebagai respons terhadap tekanan, sehingga petugas medis dapat mengetahui apakah mereka membalut luka terlalu ketat – sebuah faktor penting ketika menangani kondisi seperti tukak vena, tukak tekan, limfedema, dan jaringan parut. Anak-anak akan senang memakai perban yang bisa berubah warna, menjadikannya hadiah yang bagus untuk dokter anak. Kemampuan membuat bahan lembaran besar membuka aplikasi dalam pakaian dan pakaian olahraga.

Fiorenzo Ominito, seorang ilmuwan material di Universitas Tufts yang ikut menulis makalah baru ini, menemukan fragmen unik tersebut saat mengunjungi Pusat Teknologi Warisan Budaya Institut Teknologi Italia dan memutuskan bahwa fragmen tersebut layak untuk dipelajari secara ilmiah lebih lanjut. “Sepotong kaca indah yang berkilauan di rak ini menarik perhatian kami.” kata Umineto. “Itu adalah pecahan kaca Romawi yang ditemukan di dekat kota kuno Aquileia, Italia.” Direktur pusat tersebut menyebutnya “kaca yang mempesona”.

Aquileia didirikan oleh bangsa Romawi pada tahun 181 SM, awalnya sebagai pos terdepan militer, namun kemudian berkembang menjadi pusat perdagangan, termasuk logam palsu, amber Baltik, anggur, dan kaca kuno. “Penemuan tong kayu berisi 11.000 keping kaca di kapal karam Romawi di perairan laut Aquileia menunjukkan posisi terdepan kota ini dalam pertukaran dan pemrosesan kaca daur ulang di sepanjang jalur perdagangan,” tulis para penulis. Pada abad ke-2 M, pada puncak kejayaannya, kota ini berpenduduk 100.000 jiwa. Kekayaannya menurun setelah dijarah oleh Attila dan bangsa Hun pada tahun 452, dan lagi oleh bangsa Lombard pada tahun 590. Saat ini kota ini hanya berpenduduk sekitar 3.500 jiwa, namun tetap menjadi situs arkeologi yang penting.

Para arkeolog menemukan “kaca yang mempesona” di lapisan atas tanah sebuah lahan pertanian selama survei lapangan pada tahun 2012 – kemungkinan besar muncul ke permukaan karena pembajakan baru-baru ini – dan langsung terkejut dengan penampakan warna-warni yang khas. Ada sekitar 780 keping kaca yang dikumpulkan pada saat yang sama, namun kaca tersebut memiliki warna-warni gading yang umum ditemukan pada kaca Romawi kuno. Meskipun cangkang ini secara keseluruhan berwarna hijau tua, ia ditutupi lapisan emas setebal milimeter yang sifat reflektifnya hampir seperti cermin. Untuk mempelajari lebih lanjut, Ominito dan rekan-rekannya memaparkan cangkang tersebut pada mikroskop optik dan jenis baru pemindaian mikroskop elektron (SEM) yang mengungkapkan tidak hanya struktur resolusi nanometer material, tetapi juga komposisi unsurnya.

Analisis kimia memperkirakan kaca tersebut berasal dari abad pertama SM dan abad pertama Masehi. Kandungan titaniumnya yang tinggi menunjukkan bahwa pasir yang digunakan untuk membuat kaca tersebut berasal dari Mesir, yang biasanya mengandung lebih banyak kotoran. Adapun warna hijau tua yang masih terdapat pada sebagian besar potongan, penulis mengindikasikan bahwa hal tersebut disebabkan oleh adanya zat besi. Hingga sekitar pertengahan abad ke-2 M, kaca Romawi dibuat dari kaca mentah Levantine Suriah yang terbuat dari pasir yang relatif murni – menghasilkan warna hitam/ungu – atau kaca magnesium tinggi yang terbuat dari pasir tidak murni yang kaya akan zat besi dan zat aditif. abu sayur untuk memberi warna hijau tua. Hal ini konsisten dengan analisis baru tentang “kaca yang mempesona”.

Analisis SEM mengungkapkan susunan hierarki yang tepat untuk membentuk apa yang disebut “tumpukan Bragg” – pada dasarnya kristal fotonik satu dimensi yang ditandai dengan lapisan bahan indeks bias tinggi dan rendah yang bergantian sehingga menimbulkan warna struktural. Dalam tumpukan Bragg yang ideal, lapisannya memiliki ketebalan yang sama. Namun satu lapisan lebih tebal dan padat dibandingkan lapisan lainnya pada ‘kaca yang mempesona’, sehingga memberikan tampilan metalik yang keren. Secara khusus, setiap tumpukan sekrup memantulkan panjang gelombang cahaya sempit yang berbeda, dan menumpuk lusinan sekrup bersama-sama menciptakan lapisan emas yang sangat reflektif pada cangkangnya.

Ini adalah bukti bahwa pecahan kaca terbentuk melalui “perubahan kimiawi silika yang didorong oleh pH, ​​yang tidak memberikan batasan fisik yang ketat seperti yang ditemukan pada sistem hewan alami,” tulis para peneliti. Berdasarkan Kepada Ominito, Jika mereka dapat menemukan cara untuk mempercepat proses ini sehingga tidak memerlukan waktu berabad-abad untuk membentuk artefak semacam itu, “kita mungkin menemukan cara untuk mengembangkan bahan optik daripada memproduksinya.”

“Ini kemungkinan merupakan proses erosi dan pembangunan kembali.” kata rekan penulis Giulia Guidetti, juga di Tufts. “Tanah liat dan hujan di sekitarnya telah menentukan difusi mineral dan erosi silika secara berkala di dalam kaca. Pada saat yang sama, lapisan setebal 100 nanometer yang menggabungkan silika dan mineral dalam siklus juga telah dikumpulkan. Hasilnya adalah susunan yang sangat teratur dari ratusan lapisan bahan kristal Kristal yang tumbuh di permukaan Barang pecah belah juga merupakan cerminan dari perubahan kondisi yang terjadi di daratan seiring berkembangnya kota, sebuah catatan sejarah lingkungannya.

PNAS, 2023. DOI: 10.1073/pnas.2311583120 (Tentang ID digital).