Los investigadores han revelado cómo se han creado cristales fotónicos mediante corrosión y cristalización a lo largo de siglos. Hace unos 2.000 años, en la antigua Roma, recipientes de vidrio que contenían vino, agua o perfumes exóticos rodaban de las mesas del mercado y se hacían añicos en las calles. A lo largo de los siglos, los fragmentos quedaron cubiertos de capas de polvo y suciedad, expuestos a ciclos constantes de temperatura, humedad y minerales circundantes.
Ahora, estos pequeños fragmentos de vidrio han sido descubiertos en obras de construcción y excavaciones arqueológicas y revelan algo extraordinario. Sus superficies están salpicadas de colores coloridos como el azul, el verde y el naranja, y algunas exhiben relucientes espejos dorados.
Estas hermosas piezas de vidrio a menudo se colocan en joyería como colgantes o aretes, mientras que en los museos se exhiben piezas más grandes y completas.
Para Omenetto y Guidetti, profesores de ingeniería de Silklab en la Universidad de Tufts y expertos en ciencia de materiales, lo fascinante es cómo las moléculas en el vidrio se han reorganizado y recombinado con minerales durante miles de años para formar lo que se llama cristales fotónicos: disposiciones ordenadas de átomos que filtran y reflejan la luz de maneras muy específicas.
Los cristales fotónicos tienen muchas aplicaciones en la tecnología moderna. Se pueden utilizar para fabricar guías de ondas, interruptores ópticos y otros dispositivos que permiten comunicaciones ópticas rápidas en computadoras e Internet. Debido a que los cristales fotónicos pueden bloquear ciertas longitudes de onda de luz y al mismo tiempo permitir el paso de otras longitudes de onda, se utilizan en filtros, láseres, espejos y dispositivos antirreflectantes (encubrimiento).
En un estudio reciente publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), Omenetto, Guidetti y sus colaboradores informan sobre estructuras atómicas y minerales únicas formadas a partir de los componentes minerales y de silicato originales del vidrio, que se ven afectadas por el pH del entorno circundante y las fluctuaciones en los niveles de agua en el suelo.
El proyecto comenzó con una visita casual al Centro Tecnológico del Patrimonio Cultural del Instituto Italiano de Tecnología (IIT). "Esta hermosa pieza de vidrio brillante en el estante llamó nuestra atención", dijo Omenetto.
Este es un fragmento de vidrio romano encontrado cerca de la antigua ciudad de Aquileia, Italia. La directora del centro, Arianna Traviggia, dijo que su equipo lo llama cariñosamente "Wow Glass". Decidieron echar un vistazo más de cerca.
Los investigadores pronto se dieron cuenta de que lo que estaban viendo era la nanofabricación natural de cristales fotónicos. "Es realmente sorprendente que el vidrio que ha estado depositado en el barro durante dos mil años haya terminado siendo un ejemplo de libro de texto de dispositivo nanofotónico", dijo Omenetto.
Según el análisis químico realizado por el equipo del IIT, el fragmento de vidrio data de entre el siglo I a.C. y el siglo I a.C. y fue producido en las arenas de Egipto, un indicio del comercio global en ese momento. El cuerpo principal de este fragmento de vidrio conserva su color verde oscuro original, pero tiene una pátina de un milímetro de espesor en su superficie, lo que le da un reflejo dorado casi perfecto, parecido a un espejo. Omenetto y Guidetti utilizaron un nuevo tipo de microscopio electrónico de barrido que no sólo muestra la estructura del material sino que también proporciona un análisis elemental. Este instrumento puede decirnos en alta resolución de qué está hecho un material y cómo encajan los elementos.
Pudieron ver que la pátina tenía una estructura en capas formada por capas muy regulares de dióxido de silicio de un espesor de micrómetros que alternaban entre densidades altas y bajas, similar a los reflectores conocidos como pilas de Bragg. Cada pila de Bragg refleja fuertemente una longitud de onda de luz diferente y relativamente estrecha. El apilamiento vertical de docenas de pilas Bragg crea una apariencia de espejo de pátina dorada.
¿Cómo se formó gradualmente esta estructura? Los investigadores han propuesto un posible mecanismo que ha sido estudiado pacientemente durante siglos. "Lo más probable es que se trate de un proceso de corrosión y reconstrucción", afirmó Guidetti. "La arcilla circundante y el agua de lluvia determinan la difusión de minerales y la corrosión periódica de la sílice en el vidrio. Al mismo tiempo, también se van formando cíclicamente capas de 100 nanómetros de espesor que combinan sílice y minerales. El resultado es una disposición increíblemente ordenada de cientos de capas de material cristalino".
"Si bien la edad del vidrio puede ser parte de su encanto, en este caso, si pudiéramos acelerar significativamente el proceso en el laboratorio, podríamos encontrar una manera de cultivar materiales ópticos en lugar de fabricarlos", añadió Omenetto.
Los procesos moleculares de decadencia y reconstrucción tienen algunas similitudes con la propia ciudad de Roma. Los antiguos romanos estaban interesados en construir estructuras duraderas, como acueductos, carreteras, anfiteatros y templos. Muchos de estos edificios se convirtieron en la base de la topografía de la ciudad.
A lo largo de los siglos, la ciudad ha crecido en capas, con edificios subiendo y bajando en respuesta a la guerra, el malestar social y el paso del tiempo. En la Edad Media, la gente utilizaba materiales de construcción antiguos en mal estado y abandonados para construir nuevos edificios. En los tiempos modernos, las calles y los edificios suelen construirse directamente sobre cimientos antiguos.
"Los cristales que crecen en la superficie del vidrio también reflejan cambios en las condiciones de la superficie durante el desarrollo urbano y son un registro de la historia del entorno urbano", dijo Guidetti.
Fuente compilada: ScitechDaily