كشف الباحثون كيف تم إنشاء البلورات الضوئية من خلال التآكل والتبلور على مدى قرون. منذ حوالي 2000 عام، في روما القديمة، كانت الأواني الزجاجية التي تحتوي على النبيذ أو الماء أو العطور الغريبة تتدحرج من على طاولات السوق وتتحطم في الشوارع. وعلى مر القرون، أصبحت القطع مغطاة بطبقات من الغبار والأوساخ، وتعرضت لدورات مستمرة من درجة الحرارة والرطوبة والمعادن المحيطة.
الآن، تم الكشف عن شظايا الزجاج الصغيرة هذه من مواقع البناء والحفريات الأثرية وتكشف عن شيء غير عادي. أسطحها مرصعة بالألوان الملونة مثل الأزرق والأخضر والبرتقالي، وبعضها يعرض مرايا ذهبية متلألئة.
غالبًا ما يتم وضع هذه القطع الزجاجية الجميلة في المجوهرات على شكل قلائد أو أقراط، بينما يتم عرض قطع أكبر وأكثر اكتمالاً في المتاحف.
بالنسبة لأومينيتو وجيديتي، أساتذة هندسة سيلكلاب في جامعة تافتس وخبراء علوم المواد، الأمر المذهل هو كيفية إعادة ترتيب الجزيئات الموجودة في الزجاج وإعادة دمجها مع المعادن على مدى آلاف السنين لتكوين ما يسمى بالبلورات الضوئية - ترتيبات مرتبة من الذرات التي ترشح الضوء وتعكسه بطرق محددة للغاية.
البلورات الضوئية لها العديد من التطبيقات في التكنولوجيا الحديثة. يمكن استخدامها لصنع أدلة موجية ومفاتيح ضوئية وأجهزة أخرى تتيح اتصالات بصرية سريعة في أجهزة الكمبيوتر والإنترنت. نظرًا لأن البلورات الضوئية يمكنها حجب أطوال موجية معينة من الضوء مع السماح لأطوال موجية أخرى بالمرور، فإنها تستخدم في المرشحات وأشعة الليزر والمرايا والأجهزة المضادة للانعكاس (الإخفاء).
في دراسة حديثة نُشرت في Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)، أبلغ أومينيتو وغيديتي ومعاونوهم عن هياكل ذرية ومعدنية فريدة تتكون من مكونات السيليكات والمعادن الأصلية للزجاج، والتي تتأثر بدرجة الحموضة في البيئة المحيطة والتقلبات في مستويات المياه في التربة.
بدأ المشروع بزيارة صدفة إلى مركز تكنولوجيا التراث الثقافي التابع للمعهد الإيطالي للتكنولوجيا (IIT). وقال أومينيتو: "لفتت انتباهنا هذه القطعة الجميلة من الزجاج المتلألئ على الرف".
هذه قطعة من الزجاج الروماني تم العثور عليها بالقرب من مدينة أكويليا القديمة بإيطاليا. وقالت مديرة المركز أريانا ترافيجيا إن فريقها يطلق عليه بمودة اسم "Wow Glass". قرروا إلقاء نظرة فاحصة.
وسرعان ما أدرك الباحثون أن ما كانوا يرونه هو التصنيع الطبيعي للبلورات الضوئية. وقال أومينيتو: "من اللافت للنظر حقًا أن الزجاج الذي تم ترسيبه في الطين لمدة ألفي عام انتهى به الأمر إلى أن يصبح مثالًا كتابيًا لجهاز النانو الضوئي".
وفقًا للتحليل الكيميائي الذي أجراه فريق IIT، يعود تاريخ كسرة الزجاج إلى ما بين القرن الأول قبل الميلاد والقرن الأول قبل الميلاد، وتم إنتاجها في رمال مصر - وهو مؤشر على التجارة العالمية في ذلك الوقت. يحتفظ الجسم الرئيسي لهذه القشرة الزجاجية بلونها الأخضر الداكن الأصلي، ولكن يحتوي على طبقة من الزنجار سمكها مليمتر على سطحها، مما يمنحها انعكاسًا ذهبيًا مثاليًا يشبه المرآة. استخدم أومينيتو وجيديتي نوعًا جديدًا من المجهر الإلكتروني الماسح الذي لا يُظهر بنية المادة فحسب، بل يوفر أيضًا تحليلًا للعناصر. يمكن لهذه الأداة أن تخبرنا بدقة عالية عن المادة التي تتكون منها وكيف تتناسب العناصر معًا.
لقد تمكنوا من رؤية أن الزنجار كان له هيكل متعدد الطبقات يتكون من طبقات من السيليكا منتظمة للغاية بسمك ميكرومتر، والتي تتناوب بين كثافات عالية ومنخفضة، على غرار العاكسات المعروفة باسم مداخن براغ. تعكس كل حزمة Bragg بقوة طولًا موجيًا مختلفًا وضيقًا نسبيًا من الضوء. التراص العمودي لعشرات مكدسات Bragg يخلق مظهرًا معكوسًا من الذهب الزنجار.
كيف تشكل هذا الهيكل تدريجيا؟ اقترح الباحثون آلية محتملة تمت دراستها بصبر لعدة قرون. وقال جيديتي "هذه على الأرجح عملية تآكل وإعادة بناء". "يحدد الطين المحيط ومياه الأمطار انتشار المعادن والتآكل الدوري للسيليكا في الزجاج. وفي الوقت نفسه، يتم أيضًا تجميع طبقات بسمك 100 نانومتر تجمع بين السيليكا والمعادن بشكل دوري. والنتيجة هي ترتيب مرتب بشكل لا يصدق لمئات الطبقات من المواد البلورية."
وأضاف أومينيتو: "في حين أن عمر الزجاج قد يكون جزءًا من سحره، في هذه الحالة، إذا تمكنا من تسريع العملية بشكل كبير في المختبر، فقد نجد طريقة لتنمية المواد البصرية بدلاً من تصنيعها".
العمليات الجزيئية للتحلل وإعادة البناء لها بعض أوجه التشابه مع مدينة روما نفسها. كان الرومان القدماء حريصين على بناء هياكل طويلة الأمد مثل القنوات المائية والطرق والمدرجات والمعابد. أصبحت العديد من هذه المباني أساس تضاريس المدينة.
على مر القرون، نمت المدينة في طبقات، حيث ارتفعت المباني وهبطت استجابة للحرب والاضطرابات الاجتماعية ومرور الزمن. في العصور الوسطى، استخدم الناس مواد البناء القديمة المتهالكة والمهجورة لبناء مباني جديدة. في العصر الحديث، غالبا ما يتم بناء الشوارع والمباني مباشرة على أسس قديمة.
وقال جيديتي: "إن البلورات التي تنمو على السطح الزجاجي تعكس أيضًا التغيرات في ظروف السطح أثناء التطور الحضري، وهي سجل لتاريخ البيئة الحضرية".
المصدر المجمع: ScitechDaily