In het oude Rome viel er ook weleens een glas kapot. De scherven zijn in de loop der eeuwen bedekt geraakt door lagen van stof en aarde en blootgesteld aan vocht, mineralen en veranderende temperaturen. Daardoor is er iets heel bijzonders gebeurd met het glas.
De scherven die nu naar boven komen bij archeologische opgravingen hebben namelijk de mooiste kleuren. Ze vormen een mozaïek van blauw, groen en oranje met soms schitterende goudkleurige spiegelingen. Het glas wordt zelfs gebruikt in sieraden en de grotere fragmenten belanden in musea.
Fotonische kristallen
Vanuit wetenschappelijk oogpunt is het vooral fascinerend hoe de moleculen in het glas gedurende duizenden jaren herschikt zijn en gecombineerd met mineralen waardoor ze zogenoemde fotonische kristallen vormen. Dit zijn op een bepaalde manier geplaatste atomen die licht op heel specifieke manieren filteren en reflecteren. Deze nanostructuren hebben verschillende brekingsindices, gerangschikt in een regelmatig patroon.
Fotonische kristallen zijn van groot nut in de moderne technologie. Ze kunnen worden gebruikt om golfgeleiders te produceren, optische switches en andere apparaten voor heel snelle optische communicatie in computers en op internet. Aangezien ze zo kunnen worden ontworpen dat ze bepaalde golflengtes van licht blokkeren, terwijl ze andere doorlaten, worden ze gebruikt in filters, lasers, spiegels en antireflectie-apparatuur.
Het wow-glas
In een nieuwe studie schrijven onderzoekers van de Tufts University over de unieke atomaire en minerale structuren die zich vormen uit de oorspronkelijke bestanddelen van het glas, gemodificeerd door de pH-waarden van de omgeving en een fluctuerend grondwaterpeil.
Het onderzoek kwam per toeval tot stand tijdens een bezoek aan het Italiaanse Technologie-instituut voor cultureel technologisch erfgoed. “Dit prachtige schitterende stuk glas in een kast trok onze aandacht”, zegt Fiorenzo Omenetto. “Het was een scherf Romeins glas die was gevonden in de buurt van de oude stad Auileia in Italië.” In het instituut wordt er naar verwezen als het ‘wow-glas’.
Al snel beseften de onderzoekers dat ze keken naar de nano-fabricage van fotonische kristallen door de natuur. “Het is echt opmerkelijk dat je glas vindt dat tweeduizend jaar in de modder heeft gelegen en dat je eindigt met iets dat een schoolvoorbeeld is van een nanofotonisch bestanddeel”, zegt Omenetto.
Gouden spiegeling
Het glas is waarschijnlijk afkomstig uit de periode tussen de eerste eeuw voor en de eerste eeuw na Christus. Het bevatte nog zand uit Egypte, een indicatie van wereldhandel in die tijd. Het grootste deel van het stuk glas heeft zijn oorspronkelijke donkergroene kleur behouden, maar op het oppervlak zit een millimeter dikke glanzende laag met een bijna perfecte spiegelachtige gouden reflectie. Met een nieuwe elektronenmicroscoop konden de onderzoekers in hoge resolutie vaststellen waar het materiaal van is gemaakt en hoe de elementen samensmelten.
Zo konden ze zien dat de glanzende laag een hiërarchische structuur heeft, gemaakt van regelmatige micrometer dikke silica-lagen van afwisselend hoge en lage dichtheid, die lijken op zogenoemde Bragg-reflecties, waardoor verschillende relatief nauwe golflengtes van licht gereflecteerd werden. De verticale opstapeling van tientallen Bragg-reflecties resulteerde in de gouden spiegeling van de glanzende laag.
Traag proces
Hoe deze structuur zich kon vormen? De onderzoekers denken dat het een uiterst traag mechanisme is geweest dat gedurende eeuwen zijn gang kon gaan. “Dit is waarschijnlijk een proces van corrosie en reconstructie”, zegt onderzoeker Giulia Guidetti. “De omringende klei en regen bepaalden de verspreiding van mineralen en een cyclische corrosie van het silica in het glas. Tegelijkertijd verliep de samenstelling van 100 nanometer dikke lagen die het silica en de mineralen combineerden ook in cycli. Het resultaat is een ongelooflijk goed geordende rangschikking van honderden lagen van het kristallijnen materiaal.”
“Hoewel de oudheid van het glas misschien deel is van zijn charme, zou het beter zijn als we dit proces in een laboratorium kunnen versnellen. Dan vinden we misschien een manier om optische materialen te laten groeien in plaats van ze te produceren”, voegt Omenetto toe.
Parallellen met het oude Rome
Het moleculaire proces van afbraak en reconstructie heeft parallellen met de stad Rome zelf. De oude Romeinen waren goed in het bouwen van stevige bouwwerken, die eeuwen meegingen, zoals aquaducten, wegen, amfitheaters en tempels. Veel van deze structuren vormden de fundering van de stad.
In de loop der eeuwen is Rome opgebouwd uit lagen met bouwwerken die werden neergezet en weer instortten door bijvoorbeeld oorlogen, onrusten of gewoon de tand des tijds. In de middeleeuwen gebruikten mensen nog bouwmateriaal van deze verlaten en kapotte gebouwen. In de moderne tijd zijn de straten en gebouwen van Rome vaak direct bovenop de oude funderingen gebouwd.
“De kristallen die op het oppervlak van het glas zijn gegroeid zijn ook een reflectie van de veranderingen in de grond tijdens de ontwikkeling van de stad – een registratie van zijn geschiedenis”, aldus Guidetti.
De wet van Bragg beschrijft hoe je met de afbuiging van straling de atoomafstanden in een kristalrooster kunt berekenen. Er is een verschil tussen invallende stralen: die worden doorgelaten. En reflecterende stralen: die bevatten interferentiepatronen. Daaruit kunnen de atoomafstanden in het kristalrooster worden afgeleid.
