Há cerca de 2.000 anos, na Roma antiga, recipientes de vidro que transportavam vinho ou água, ou talvez perfumes exóticos, caíram de uma mesa num mercado e se despedaçaram na rua. Com o passar dos séculos, os fragmentos foram cobertos por camadas de poeira e solo e expostos a um ciclo contínuo de mudanças de temperatura, umidade e minerais circundantes.



Agora, esses pequenos pedaços de vidro estão sendo descobertos em canteiros de obras e escavações arqueológicas e revelam-se algo extraordinário. Em sua superfície há um mosaico de cores iridescentes de azul, verde e laranja, com alguns exibindo espelhos dourados cintilantes.

Esses belos artefatos de vidro costumam ser colocados em joias como pingentes ou brincos, enquanto objetos maiores e mais completos são exibidos em museus.

Para Fiorenzo Omenetto e Giulia Guidetti, professores de engenharia do Silklab da Tufts University e especialistas em ciência dos materiais, o que é fascinante é como as moléculas do vidro se reorganizaram e se recombinaram com os minerais ao longo de milhares de anos para formar os chamados cristais fotônicos – arranjos ordenados de átomos que filtram e refletem a luz de maneiras muito específicas.

Os cristais fotônicos têm muitas aplicações na tecnologia moderna. Eles podem ser usados ​​para criar guias de onda, interruptores ópticos e outros dispositivos para comunicações ópticas muito rápidas em computadores e pela Internet. Como podem ser projetados para bloquear certos comprimentos de onda de luz e, ao mesmo tempo, permitir a passagem de outros, eles são usados ​​em filtros, lasers, espelhos e dispositivos anti-reflexo (furtivos).

Em um estudo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , Omenetto, Guidetti e colaboradores relatam as estruturas atômicas e minerais únicas que se construíram a partir do silicato original e dos constituintes minerais do vidro, moduladas pelo pH do ambiente circundante e pelos níveis flutuantes de água subterrânea no solo.

O projeto começou por acaso durante uma visita ao Centro de Tecnologia do Patrimônio Cultural do Instituto Italiano de Tecnologia (IIT). “Esse lindo vidro cintilante na prateleira chamou nossa atenção”, disse Omenetto. "Era um fragmento de vidro romano recuperado perto da antiga cidade de Aquileia, Itália." Arianna Traviglia, diretora do Centro, disse que sua equipe se referia a ele carinhosamente como o “vidro uau”. Eles decidiram dar uma olhada mais de perto.

Os pesquisadores logo perceberam que o que estavam procurando era a nanofabricação de cristais fotônicos por natureza. “É realmente notável que você tenha um vidro que está na lama há dois milênios e acabe com algo que é um exemplo clássico de componente nanofotônico”, disse Omenetto.

Corrosão e reconstrução

A análise química da equipe do IIT datou o fragmento de vidro entre o século I aC e o século I dC, com origem nas areias do Egito – uma indicação do comércio global da época. A maior parte do fragmento preservou sua cor verde escura original, mas em sua superfície havia uma pátina de um milímetro de espessura que tinha um reflexo dourado espelhado quase perfeito.

Omenetto e Guidetti usaram um novo tipo de microscópio eletrônico de varredura que não apenas revela a estrutura do material, mas também fornece uma análise elementar. “Basicamente, é um instrumento que pode dizer em alta resolução do que é feito o material e como os elementos são montados”, disse Guidetti.

Eles puderam ver que a pátina possuía uma estrutura hierárquica composta de camadas de sílica altamente regulares, com espessura micrométrica e alternância de alta e baixa densidade, que se assemelhavam a refletores conhecidos como pilhas de Bragg. Cada pilha de Bragg refletia fortemente comprimentos de onda de luz diferentes e relativamente estreitos. O empilhamento vertical de dezenas de pilhas de Bragg resultou na aparência espelhada dourada da pátina.

Como essa estrutura se formou ao longo do tempo? Os pesquisadores sugerem um possível mecanismo que funcionou pacientemente ao longo dos séculos. “Este é provavelmente um processo de corrosão e reconstrução”, disse Guidetti.

“A argila circundante e a chuva determinaram a difusão dos minerais e uma corrosão cíclica da sílica no vidro. Ao mesmo tempo, a montagem de camadas de 100 nanômetros de espessura combinando a sílica e os minerais também ocorreu em ciclos. arranjo de centenas de camadas de material cristalino."

“Embora a idade do vidro possa ser parte do seu encanto, neste caso, se pudéssemos acelerar significativamente o processo em laboratório, poderíamos encontrar uma forma de cultivar materiais ópticos em vez de os fabricar”, acrescentou Omenetto.

O processo molecular de decadência e reconstrução tem alguns paralelos com a própria cidade de Roma. Os antigos romanos tinham uma tendência para criar estruturas duradouras, como aquedutos, estradas, anfiteatros e templos. Muitas dessas estruturas tornaram-se a base da topografia da cidade.

Ao longo dos séculos desde então, a cidade cresceu em camadas, com edifícios subindo e descendo com as mudanças provocadas pelas guerras, convulsões sociais e a passagem do tempo. Na época medieval, as pessoas usavam materiais de edifícios antigos quebrados e abandonados para novas construções. Nos tempos modernos, as ruas e os edifícios são muitas vezes construídos diretamente sobre fundações antigas.

“Os cristais que crescem na superfície do vidro também são um reflexo das mudanças nas condições que ocorreram no solo à medida que a cidade evoluiu – um registro de sua história ambiental”, disse Guidetti.

Mais informações: Guidetti, Giulia et al, Cristais fotônicos construídos pelo tempo em vidro romano antigo, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2311583120. doi.org/10.1073/pnas.2311583120
Informações do diário: Anais da Academia Nacional de Ciências

Fornecido pela Tufts University