Bilim insanları gömülü antik Roma camında fotonik kristallerin nano fabrikasyonunu keşfetti

Ortalama 2000 yıl ilkin antik Roma’da şarap, su ya da bir ihtimal egzotik parfümler taşıyan cam kaplar bir pazar yerindeki masadan düşüp sokakta paramparça oluyor. Yüzyıllar geçtikçe parçalar toz ve toprak katmanlarıyla kaplandı ve ısı, rutubet ve çevredeki minerallerdeki devamlı değişiklik döngüsüne maruz kaldı.

Artık inşaat alanlarından ve arkeolojik kazılardan ortaya çıkan bu küçük cam parçaları, muhteşem bir şey olduklarını ortaya koyuyor. Yüzeylerinde mavi, yeşil ve turuncu renkte yanardöner renklerden oluşan bir mozaik var ve bazılarında parıldayan altın renkli aynalar sergileniyor.

Bu güzel cam eserler çoğu zaman kolye yada küpe olarak mücevherlerde yer alırken, daha büyük, daha eksiksiz nesneler müzelerde sergileniyor.

Tufts Üniversitesi Silklab’da mühendislik profesörleri ve araç-gereç bilimi uzmanları olan Fiorenzo Omenetto ve Giulia Guidetti’ye bakılırsa büyüleyici olan şey, camdaki moleküllerin binlerce yıl süresince iyi mi tekrardan düzenlenmiş olduğu ve minerallerle tekrardan birleşerek fotonik kristaller denilen şeyi (tertipli düzenlemeleri) oluşturduğudur. Işığı fazlaca hususi şekillerde filtreleyen ve yansıtan atomlar.

Fotonik kristallerin çağdaş teknolojide birçok uygulaması vardır. Bilgisayarlarda ve web üstünden fazlaca süratli optik kontakt için dalga kılavuzları, optik anahtarlar ve öteki cihazları oluşturmak için kullanılabilirler. Belirli dalga boylarındaki ışığı bloke ederken diğerlerinin geçmesine izin verecek şekilde tasarlanabildiklerinden, filtrelerde, lazerlerde, aynalarda ve yansıma önleyici (gizli saklı) cihazlarda kullanılırlar.

dergisinde gösterilen bir çalışmada Ulusal Bilimler Akademisi (PNAS) BildirileriOmenetto, Guidetti ve işbirlikçileri, camın orijinal silikat ve mineral bileşenlerinden oluşan, çevredeki ortamın pH’ı ve topraktaki değişken yeraltı suyu seviyeleri tarafınca modüle edilen benzersiz atom ve mineral yapıları hakkında rapor veriyorlar.

Proje, İtalyan Teknoloji Enstitüsü’nün (IIT) Kültürel Miras Teknolojisi Merkezi’ne meydana getirilen ziyaret esnasında tesadüfen başladı. Omenetto, “Raftaki bu güzel, ışıltılı cam parçası dikkatimizi çekti” dedi. “İtalya’nın antik Aquileia kenti civarlarında bulunan Roma camından bir parçaydı.” Merkezin yöneticisi Arianna Traviglia, ekibinin bundan sevgiyle “vay be cam” olarak bahsettiğini söylemiş oldu. Daha yakından bakmaya karar verdiler.

Araştırmacılar fazlaca geçmeden, fotonik kristallerin doğası gereği nano-fabrikasyonuna baktıklarını fark ettiler. Omenetto, “İki bin senedir çamurun içinde duran bir camın olması ve sonuçta nanofotonik bileşenin ders kitabı örneği olan bir şeyle karşılaşmanız hakkaten dikkate kıymet” dedi.

Korozyon ve tekrardan yapılanma

IIT ekibinin yapmış olduğu kimyasal çözümleme, cam parçasının MÖ 1. yüzyıl ile MS 1. yüzyıl arasına ilişkin bulunduğunu ve kökeninin Mısır kumlarından geldiğini belirledi; bu, o dönemde küresel ticaretin bir göstergesiydi. Parçanın büyük bir kısmı orijinal koyu yeşil rengini korudu sadece yüzeyinde neredeyse muhteşem ayna benzeri altın yansıması olan milimetre genişliğinde bir patine vardı.

Omenetto ve Guidetti, yalnızca malzemenin yapısını ortaya çıkarmakla kalmayıp bununla birlikte element analizi de elde eden yeni bir tür taramalı elektron mikroskobu kullandılar. Guidetti, “Temel olarak bu, malzemenin neyden yapıldığını ve elemanların iyi mi bir araya getirildiğini size yüksek çözünürlükle söyleyebilen bir cihazdır” dedi.

Patinanın, Bragg yığınları olarak malum reflektörlere benzeyen, yüksek ve düşük yoğunluklu, oldukça tertipli, mikrometre genişliğinde silika katmanlarından oluşan hiyerarşik bir yapıya haiz bulunduğunu görebiliyorlardı. Her Bragg yığını, ışığın değişik, nispeten dar dalga boylarını kuvvetli bir halde yansıtıyordu. Onlarca Bragg yığınının dikey olarak istiflenmesi, patinanın altın ayna görünümüne haiz olmasını sağlamış oldu.

Bu yapı süre içinde iyi mi oluştu? Araştırmacılar yüzyıllar süresince sabırla işleyen ihtimaller içinde bir mekanizmayı öne sürüyorlar. Guidetti, “Bu muhtemelen bir korozyon ve tekrardan yapılanma sürecidir” dedi.

“Çevredeki kil ve yağmur, minerallerin difüzyonunu ve camdaki silikanın döngüsel korozyonunu belirledi. Hem de, silika ve mineralleri birleştiren 100 nanometre kalınlığındaki katmanların birleşmesi de döngüler halinde meydana geldi. Netice, inanılmaz derecede tertipli bir yapıydı. yüzlerce kristal araç-gereç katmanının düzenlenmesi.”

Omenetto, “Camın yaşı onun cazibesinin bir parçası olsa da, bu durumda laboratuvardaki süreci mühim seviyede hızlandırabilirsek optik malzemeleri üretmek yerine yetiştirmenin bir yolunu bulabiliriz” diye ekledi.

Moleküler çürüme ve tekrardan yapılanma süreci, Roma şehrinin kendisiyle bazı paralelliklere haizdir. Antik Romalıların su kemerleri, yollar, amfitiyatrolar ve tapınaklar benzer biçimde uzun ömürlü yapılar yaratma tutkusu vardı. Bu yapıların bir çok şehrin topografyasının temelini oluşturdu.

O zamandan bu yana geçen yüzyıllar süresince kent, savaşların, toplumsal çalkantıların ve dönemin geçişinin getirmiş olduğu değişimlerle beraber yükselen ve düşen binalarla katmanlar halinde büyüdü. Orta çağda insanoğlu yeni inşaatlar için yıkılmış ve terk edilmiş eski binalardan malzemeler kullanıyorlardı. Çağıl zamanlarda sokaklar ve binalar çoğu zaman direkt antik temellerin üstüne inşa edilir.

Guidetti, “Cam yüzeyinde büyüyen kristaller, bununla birlikte kent geliştikçe zeminde meydana gelen koşullarda meydana gelen değişikliklerin bir yansımasıdır – çevre tarihinin bir kaydıdır” dedi.