Il vetro dell’antica Roma offre possibilità di applicazione moderne

Circa 2.000 anni fa, nell’antica Roma, vasi di vetro contenenti vino o acqua, o forse profumi esotici, caddero da un tavolo del mercato e si frantumarono in pezzi per strada. Con il passare dei secoli, i frammenti si ricoprirono di strati di polvere e terra e furono esposti a un ciclo costante di cambiamenti di temperatura, umidità e minerali circostanti.

Ora questi minuscoli pezzi di vetro vengono portati alla luce da cantieri e scavi archeologici e si rivelano essere qualcosa di straordinario. Sulla sua superficie c’è un mosaico di colori iridescenti blu, verde e arancione, alcuni dei quali mostrano scintillanti specchi color oro.

Questi bellissimi manufatti in vetro sono spesso incastonati in gioielli sotto forma di collane o orecchini, mentre oggetti più grandi e completi sono esposti nei musei.

Per Fiorenzo Ominito e Giulia Guidetti, professori di ingegneria al Tufts Silklab ed esperti in scienza dei materiali, ciò che è affascinante è il modo in cui le molecole nel vetro si riorganizzano e si ricombinano con i metalli nel corso di migliaia di anni per formare i cosiddetti cristalli fotonici: disposizioni ordinate di atomi che filtrano e riflettono la luce in modi molto specifici.

I cristalli fotonici hanno molte applicazioni nella tecnologia moderna. Possono essere utilizzati per creare guide d’onda, interruttori ottici e altri dispositivi per comunicazioni ottiche molto veloci nei computer e su Internet. Poiché possono essere progettati per bloccare determinate lunghezze d’onda della luce consentendo il passaggio di altre, vengono utilizzati in filtri, laser, specchi e dispositivi antiriflesso (invisibili).

In un recente studio pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences (PNAS), USA, Ominito, Guidetti e collaboratori hanno riportato strutture atomiche e mineralogiche uniche formate da componenti di vetro silicato e metalli genitori, che sono stati modificati dal pH del vetro. L’ambiente circostante e le fluttuazioni dei livelli delle acque sotterranee nel suolo.

Il progetto è iniziato per caso durante una visita al Centro Tecnologico per i Beni Culturali dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT). “Questo bellissimo pezzo di vetro scintillante sullo scaffale ha attirato la nostra attenzione”, ha detto Omenito. “Era un pezzo di vetro romano trovato vicino all’antica città di Aquileia in Italia.” Ariana Travilla, direttrice del centro, ha detto che il suo team lo chiama affettuosamente “il vetro abbagliante”. Hanno deciso di dare un’occhiata più da vicino.

I ricercatori si sono presto resi conto che ciò che stavano cercando era la nanofabbricazione di cristalli fotonici in natura. “È davvero bello poter avere un vetro che giace nel fango per duemila anni e ritrovarsi con qualcosa che è un tipico esempio di componente nanofotonico”, ha detto Umenito.

Corrosione e ricostruzione

Le analisi chimiche condotte dal team dell’IIT hanno datato il pezzo di vetro tra 1^strada I secolo a.C^strada secolo d.C. e le sue origini provengono dalle sabbie dell’Egitto, un indicatore del commercio globale dell’epoca. La maggior parte del pezzo manteneva il suo colore verde scuro originale, ma la sua superficie aveva uno strato di avorio spesso un millimetro che aveva un riflesso dorato quasi perfetto, simile a uno specchio. Ominito e Guidetti hanno utilizzato un nuovo tipo di microscopio elettronico a scansione che non solo rivela la struttura della materia, ma fornisce anche l’analisi degli elementi. “È fondamentalmente uno strumento che può dirti con alta precisione di cosa è fatto e come sono messi insieme gli elementi”, ha detto Guidetti.

Hanno potuto vedere che la patina ha una struttura gerarchica costituita da strati di silice altamente regolari, spessi micrometri, con alternanza di alta e bassa densità che assomigliano a riflettori noti come camini di Bragg. Ciascuno dei raggi di Bragg rifletteva fortemente lunghezze d’onda della luce diverse e relativamente strette. L’impilamento verticale di dozzine di camini Bragg ha creato una patina a specchio dorato.

Come si è formata questa struttura nel tempo? I ricercatori suggeriscono un possibile meccanismo che si è svolto pazientemente nel corso dei secoli. “Si tratta probabilmente di un processo di erosione e ricostruzione”, ha affermato Guidetti. “Il fango e la pioggia circostanti determinavano la diffusione dei minerali e l’erosione periodica della silice nel vetro. Allo stesso tempo, si verificava anche l’assemblaggio di strati spessi 100 nanometri che combinano silice e minerali in cicli. Il risultato è un risultato incredibilmente processo ordinato di disposizione di centinaia di strati di materiale cristallino.”

“Anche se l’età del vetro può essere parte della sua magia, in questo caso se riusciamo ad accelerare significativamente il processo in laboratorio, potremmo trovare un modo per coltivare materiali ottici invece di produrli”, ha aggiunto Omenito.

Il processo di decomposizione e ricostruzione molecolare presenta alcune somiglianze con la stessa città di Roma. Gli antichi romani avevano la tendenza a creare strutture durevoli come acquedotti, strade, anfiteatri e templi. Molte di queste strutture divennero la base della topografia della città.

Da allora, nel corso dei secoli, la città si è evoluta a strati, con edifici che salivano e scendevano a causa dei cambiamenti causati dalle guerre, dagli sconvolgimenti sociali e dal passare del tempo. Nel Medioevo, le persone utilizzavano materiali provenienti da edifici vecchi, distrutti e abbandonati per nuove costruzioni. Nei tempi moderni, le strade e gli edifici sono spesso costruiti direttamente sopra le antiche fondamenta.

“I cristalli che crescono sulla superficie del vetro riflettono anche i cambiamenti nelle condizioni che si sono verificati sul terreno durante lo sviluppo della città – una testimonianza della sua storia ambientale”, ha detto Guidetti.