古代ローマの「まばゆいばかりのガラス」には、何世紀にもわたって形作られたフォトニック結晶ティアラが含まれている – Ars Technica

自然は究極のナノメーカーです。 このことの最新の証拠は、薄い金色のコーティングが施された珍しい古代ローマのガラス（「眩しいガラス」と呼ばれる）です。 ローマン ガラスの破片は、青、緑、オレンジの虹色の色が特徴で、ガラスをゆっくりと再構成して形成する腐食プロセスの結果です。 フォトニック結晶によると、この貝殻のきらめく鏡のような金の光沢は、異常な光学的特性を備えた稀な例です。 新しい用紙 米国科学アカデミー紀要に掲載。

これは、自然に発生する構造色のもう 1 つの例です。 前述したように、蝶の羽、シャボン玉、オパール、カブトムシの殻の明るい虹色は、色素分子に由来するものではなく、自然に発生する色素分子の構造に由来しています。 フォトニック結晶。 たとえば、自然界では、キチンの殻 (昆虫に共通する多糖類) が瓦のように配置されています。 基本的に、それらは 回折格子ただし、フォトニック結晶は特定の色または波長の光のみを生成しますが、回折格子はプリズムと同様にスペクトル全体を生成します。

フォトニックバンドギャップ材料としても知られるフォトニック結晶は「調整可能」であり、特定の波長の光を遮断し、他の波長を通過させるように正確に配置されることを意味します。 タイルのサイズを変更して構造を変更すると、結晶は異なる波長に敏感になります。 これらは、導波路やスイッチとして光通信に使用されるほか、フィルター、レーザー、ミラー、および多くの隠れた反射防止デバイスにも使用されます。

科学者は実験室で独自の着色された構造材料を作成できますが、光学的精度を犠牲にすることなく商業用途向けにプロセスを拡張するのは困難な場合があります。 したがって、自然界に見られるような構造色を作成することは、材料研究の活発な分野です。 たとえば、今年初めにケンブリッジ大学の科学者たちは、 発展した 革新的な新しい植物層は太陽光にさらされると低温になるため、外部電源を必要とせずに将来の建物や自動車を冷却するのに最適です。 作成されたフィルムはカラフルですが、顔料や顔料の添加によるものではなく、ナノ結晶の形で構造的に着色されています。

昨年、マサチューセッツ工科大学の科学者らは、物理学者ガブリエル・リップマンが発明した19世紀のホログラフィック技術を改良し、伸ばすと色が変わるカメレオンのようなフィルムを開発した。 これらのフィルムは、圧力に反応して色が変化する包帯を作成するのに理想的であり、医療従事者が傷をきつく巻きすぎていないかどうかを知ることができます。これは、静脈性潰瘍、褥瘡、リンパ浮腫、瘢痕などの症状を治療する際の重要な要素です。 お子様は色が変わる包帯を着るのが大好きなので、小児科医への素晴らしい贈り物になります。 材料の大きなシートを作成できるため、衣料品やスポーツウェアへの用途が広がります。

新しい論文の共著者であるタフツ大学の材料科学者フィオレンツォ・オミニト氏は、イタリア工科大学の文化遺産技術センターを訪れた際にこのユニークな破片を発見し、さらなる科学的研究の価値があると判断した。 「棚の上で輝くこの美しいガラスが私たちの目に留まりました。」 海人は言った。。 「それはイタリアの古代都市アクイレイアの近くで見つかったローマンガラスの破片でした。」 センター長はそれを「まぶしいガラス」と呼んだ。

アクイレイアは紀元前 181 年にローマ人によって設立され、当初は軍事前哨基地でしたが、すぐに鍛造金属、バルト海の琥珀、ワイン、古代のガラスなどの貿易の中心地として繁栄しました。 「アクイレイア沖の海水でローマの難破船から11,000枚のガラス片が入った木樽が発見されたことは、この市が交易路に沿ったリサイクルガラスの交換と処理において主導的な立場にあることを示している」と著者らは書いている。 最盛期の西暦 2 世紀までに、この都市の人口は 10 万人に達しました。 452 年にアッティラとフン族によって略奪され、590 年に再びロンバルディア人によって略奪された後、その運命は衰退しました。現在、この都市の人口はわずか約 3,500 人ですが、依然として重要な考古学的遺跡です。

考古学者らは、2012年の現地調査中に農地の表土で「まばゆいばかりのガラス」を発見した（おそらく最近の耕作のおかげで表面に現れた）と、すぐにその特​​徴的な色とりどりの外観に衝撃を受けた。 同時に約 780 個のガラス片が収集されましたが、それらは古代ローマのガラスによく見られる虹色の象牙をしていました。 この貝殻は全体的に濃い緑色でしたが、その反射特性はほとんど鏡のような厚さのミリメートルの金色の緑青で覆われていました。 さらに詳しく知るために、オミニトらは貝殻を光学顕微鏡と新型の走査型電子顕微鏡（SEM）の両方で観察し、ナノメートル分解能の材料構造だけでなく元素組成も明らかにした。

化学分析により、このガラスの年代は紀元前 1 世紀から紀元 1 世紀の間であることが判明しました。 高レベルのチタンが検出され、ガラスの製造に使用された砂がエジプト産であり、通常より多くの不純物が含まれていることを示しています。 作品の大部分に依然として残っている濃い緑色について、著者らはこれが鉄の存在によるものであると示唆しています。 西暦 2 世紀半ばまで、ローマン ガラスは、比較的純粋な砂から作られた生のレバント シリア ガラス (結果として黒/紫色) か、鉄や添加物が豊富な不純な砂から作られた高マグネシウム ガラスのいずれかから作られていました。 植物灰を加えて濃い緑色にします。 これは、「まぶしいガラス」に関するこの新しい分析と一致しています。

SEM分析により、いわゆる「ブラッグスタック」を形成するための正確な階層配置が明らかになった。ブラッグスタックは、構造色を生じさせる高屈折率材料と低屈折率材料の交互層を特徴とする本質的に一次元のフォトニック結晶である。 理想的なブラッグスタックでは、層は同じ厚さです。 しかし、「まばゆいガラス」の一方の層は他方の層よりも厚く密度が高く、クールな金属的な外観を与えていました。 具体的には、ネジの各スタックが異なる狭い波長の光を反射し、それらを数十個積み重ねると、シェル上に高反射の金の層が形成されました。

これは、ガラスの破片が「シリカのpHによる化学変化によって形成された証拠であり、自然の動物系で見られるような厳しい物理的制約を課すものではない」と研究者らは書いている。 によると オミニトさんへ このような人工物を形成するのに何世紀もかからないように、このプロセスをスピードアップする方法を見つけられれば、「光学材料を製造するのではなく、成長させる方法が見つかるかもしれない。」

「これはおそらく侵食と再構築のプロセスです。」 共著者ジュリア・グデッティ氏はこう語った。、タフツにもあります。 「周囲の粘土と雨が、ガラス内のミネラルの拡散とシリカの周期的な浸食を決定しました。同時に、シリカとミネラルを周期的に組み合わせた厚さ100ナノメートルの層も収集されました。その結果、信じられないほど秩序だった配置が生まれました」何百もの結晶質の層からなるガラス製品は、都市の発展に伴って土地に生じた条件の変化、環境の歴史の記録でもあります。

PNAS、2023 年。DOI: 10.1073/pnas.2311583120 （デジタルIDについて）。