Il y a environ 2 000 ans, dans la Rome antique, des récipients en verre transportant du vin ou de l'eau, ou peut-être des parfums exotiques, tombaient d'une table sur un marché et se brisaient en morceaux dans la rue. Au fil des siècles, les fragments ont été recouverts de couches de poussière et de terre et exposés à un cycle continu de changements de température, d'humidité et de minéraux environnants.
Aujourd’hui, ces minuscules morceaux de verre sont découverts sur des chantiers de construction et lors de fouilles archéologiques et se révèlent être quelque chose d’extraordinaire. Sur leur surface se trouve une mosaïque de couleurs irisées de bleu, vert et orange, certaines présentant des miroirs dorés scintillants.
Ces magnifiques objets en verre sont souvent sertis dans des bijoux sous forme de pendentifs ou de boucles d'oreilles, tandis que des objets plus grands et plus complets sont exposés dans les musées.
Pour Fiorenzo Omenetto et Giulia Guidetti, professeurs d'ingénierie au Silklab de l'Université Tufts et experts en science des matériaux, ce qui est fascinant, c'est la manière dont les molécules du verre se sont réarrangées et recombinées avec les minéraux au fil des milliers d'années pour former ce qu'on appelle des cristaux photoniques, des arrangements ordonnés de des atomes qui filtrent et réfléchissent la lumière de manière très spécifique.
Les cristaux photoniques ont de nombreuses applications dans la technologie moderne. Ils peuvent être utilisés pour créer des guides d’ondes, des commutateurs optiques et d’autres dispositifs permettant des communications optiques très rapides dans les ordinateurs et sur Internet. Puisqu'ils peuvent être conçus pour bloquer certaines longueurs d'onde de lumière tout en laissant passer d'autres, ils sont utilisés dans les filtres, les lasers, les miroirs et les dispositifs antireflet (furtifs).
Dans une étude publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , Omenetto, Guidetti et leurs collaborateurs rendent compte des structures atomiques et minérales uniques qui se sont développées à partir des constituants silicatés et minéraux d'origine du verre, modulées par le pH de l'environnement et les niveaux fluctuants des eaux souterraines dans le sol.
Le projet est né par hasard lors d'une visite au Centre de technologie du patrimoine culturel de l'Institut italien de technologie (IIT). "Ce magnifique morceau de verre étincelant sur l'étagère a attiré notre attention", a déclaré Omenetto. "Il s'agissait d'un fragment de verre romain retrouvé près de l'ancienne ville d'Aquilée en Italie." Arianna Traviglia, directrice du Centre, a déclaré que son équipe l'appelait affectueusement le « verre wow ». Ils ont décidé d'y regarder de plus près.
Les chercheurs ont vite compris qu’ils étudiaient par nature la nanofabrication de cristaux photoniques. "Il est vraiment remarquable que vous ayez du verre resté dans la boue pendant deux millénaires et que vous vous retrouviez avec quelque chose qui est un exemple classique de composant nanophotonique", a déclaré Omenetto.
L'analyse chimique de l'équipe de l'IIT a daté le fragment de verre entre le 1er siècle avant notre ère et le 1er siècle de notre ère, avec des origines provenant des sables d'Égypte, une indication du commerce mondial à l'époque. La majeure partie du fragment a conservé sa couleur vert foncé d'origine, mais sur sa surface se trouvait une patine d'un millimètre d'épaisseur qui avait un reflet doré semblable à un miroir presque parfait.
Omenetto et Guidetti ont utilisé un nouveau type de microscope électronique à balayage qui non seulement révèle la structure du matériau, mais fournit également une analyse élémentaire. "Fondamentalement, c'est un instrument qui peut vous dire avec une haute résolution de quoi est fait le matériau et comment les éléments sont assemblés", a déclaré Guidetti.
Ils ont pu constater que la patine possédait une structure hiérarchique composée de couches de silice très régulières, d'une épaisseur micrométrique, alternant haute et basse densité, qui ressemblaient à des réflecteurs connus sous le nom d'empilements de Bragg. Chaque pile de Bragg réfléchissait fortement des longueurs d'onde de lumière différentes et relativement étroites. L'empilement vertical de dizaines de piles Bragg a donné à la patine un aspect miroir doré.
Comment cette structure s’est-elle formée au fil du temps ? Les chercheurs suggèrent un mécanisme possible qui s’est déroulé patiemment au fil des siècles. "Il s'agit probablement d'un processus de corrosion et de reconstruction", a déclaré Guidetti.
"L'argile et la pluie environnantes ont déterminé la diffusion des minéraux et une corrosion cyclique de la silice dans le verre. Dans le même temps, l'assemblage de couches de 100 nanomètres d'épaisseur combinant la silice et les minéraux s'est également produit selon des cycles. Le résultat est un ensemble incroyablement ordonné. arrangement de centaines de couches de matériau cristallin."
"Même si l'âge du verre peut faire partie de son charme, dans ce cas, si nous pouvions accélérer considérablement le processus en laboratoire, nous pourrions trouver un moyen de cultiver des matériaux optiques plutôt que de les fabriquer", a ajouté Omenetto.
Le processus moléculaire de décomposition et de reconstruction présente certains parallèles avec la ville de Rome elle-même. Les anciens Romains avaient tendance à créer des structures durables comme des aqueducs, des routes, des amphithéâtres et des temples. Beaucoup de ces structures sont devenues le fondement de la topographie de la ville.
Au fil des siècles, la ville s'est développée par couches, les bâtiments s'élevant et s'effondrant au gré des changements provoqués par les guerres, les bouleversements sociaux et le passage du temps. À l’époque médiévale, les gens utilisaient des matériaux provenant de bâtiments anciens brisés et abandonnés pour de nouvelles constructions. Dans les temps modernes, les rues et les bâtiments sont souvent construits directement sur des fondations anciennes.
"Les cristaux développés à la surface du verre sont également le reflet des changements dans les conditions qui se sont produits dans le sol au fur et à mesure de l'évolution de la ville, un témoignage de son histoire environnementale", a déclaré Guidetti.
Plus d'informations : Guidetti, Giulia et al, Cristaux photoniques construits au fil du temps dans le verre romain antique, Actes de l'Académie nationale des sciences (2023). DOI :10.1073/pnas.2311583120. est ce que je.org/10.1073/pnas.2311583120
Informations sur le journal : Actes de l'Académie nationale des sciences
Fourni par l'Université Tufts
