Hace unos 2.000 años, en la antigua Roma, vasijas de vidrio que transportaban vino o agua, o quizás perfumes exóticos, caían de una mesa en un mercado y se hacían añicos en la calle. Con el paso de los siglos, los fragmentos quedaron cubiertos por capas de polvo y tierra y expuestos a un ciclo continuo de cambios de temperatura, humedad y minerales circundantes.
Ahora estos pequeños trozos de vidrio se están descubriendo en obras de construcción y excavaciones arqueológicas y se revelan como algo extraordinario. En su superficie hay un mosaico de colores iridiscentes de azul, verde y naranja, y algunos muestran relucientes espejos de color dorado.
Estos hermosos artefactos de vidrio a menudo se encuentran en joyería como colgantes o aretes, mientras que en los museos se exhiben objetos más grandes y completos.
Para Fiorenzo Omenetto y Giulia Guidetti, profesores de ingeniería en el Silklab de la Universidad de Tufts y expertos en ciencia de materiales, lo fascinante es cómo las moléculas del vidrio se reorganizaron y recombinaron con minerales a lo largo de miles de años para formar lo que se llaman cristales fotónicos:disposiciones ordenadas de átomos que filtran y reflejan la luz de maneras muy específicas.
Los cristales fotónicos tienen muchas aplicaciones en la tecnología moderna. Se pueden utilizar para crear guías de ondas, interruptores ópticos y otros dispositivos para comunicaciones ópticas muy rápidas en computadoras y a través de Internet. Dado que pueden diseñarse para bloquear ciertas longitudes de onda de luz y permitir el paso de otras, se utilizan en filtros, láseres, espejos y dispositivos antirreflectantes (ocultos).
En un estudio publicado en las Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , Omenetto, Guidetti y sus colaboradores informan sobre las estructuras atómicas y minerales únicas que se formaron a partir de los componentes minerales y de silicato originales del vidrio, moduladas por el pH del entorno circundante y los niveles fluctuantes de agua subterránea en el suelo.
El proyecto comenzó por casualidad durante una visita al Centro de Tecnología del Patrimonio Cultural del Instituto Italiano de Tecnología (IIT). "Nos llamó la atención este hermoso cristal brillante que había en el estante", dijo Omenetto. "Era un fragmento de vidrio romano recuperado cerca de la antigua ciudad de Aquileia, Italia". Arianna Traviglia, directora del Centro, dijo que su equipo se refería a él cariñosamente como el "vaso sorpresa". Decidieron echar un vistazo más de cerca.
Los investigadores pronto se dieron cuenta de que lo que estaban observando era la nanofabricación de cristales fotónicos por naturaleza. "Es realmente sorprendente que tengas vidrio que haya estado en el barro durante dos milenios y termines con algo que es un ejemplo de libro de texto de un componente nanofotónico", dijo Omenetto.
El análisis químico del equipo del IIT fechó el fragmento de vidrio entre el siglo I a. C. y el siglo I d. C., con origen en las arenas de Egipto, una indicación del comercio global en ese momento. La mayor parte del fragmento conservaba su color verde oscuro original, pero en su superficie había una pátina de un milímetro de espesor que tenía un reflejo dorado casi perfecto como un espejo.
Omenetto y Guidetti utilizaron un nuevo tipo de microscopio electrónico de barrido que no sólo revela la estructura del material, sino que también proporciona un análisis elemental. "Básicamente es un instrumento que puede decirte con alta resolución de qué está hecho el material y cómo se unen los elementos", dijo Guidetti.
Pudieron ver que la pátina poseía una estructura jerárquica formada por capas de sílice muy regulares, de un micrómetro de espesor, alternando densidad alta y baja, que se asemejaban a reflectores conocidos como pilas de Bragg. Cada pila de Bragg reflejaba fuertemente longitudes de onda de luz diferentes y relativamente estrechas. El apilamiento vertical de decenas de pilas de Bragg dio como resultado la apariencia de espejo dorado de la pátina.
¿Cómo se formó esta estructura con el tiempo? Los investigadores sugieren un posible mecanismo que se desarrolló pacientemente durante siglos. "Probablemente se trate de un proceso de corrosión y reconstrucción", afirmó Guidetti.
"La arcilla circundante y la lluvia determinaron la difusión de minerales y una corrosión cíclica de la sílice en el vidrio. Al mismo tiempo, también se produjo en ciclos el ensamblaje de capas de 100 nanómetros de espesor que combinan la sílice y los minerales. El resultado es un diseño increíblemente ordenado disposición de cientos de capas de material cristalino."
"Si bien la edad del vidrio puede ser parte de su encanto, en este caso si pudiéramos acelerar significativamente el proceso en el laboratorio podríamos encontrar una manera de cultivar materiales ópticos en lugar de fabricarlos", añadió Omenetto.
El proceso molecular de decadencia y reconstrucción tiene algunos paralelos con la propia ciudad de Roma. Los antiguos romanos tenían predilección por crear estructuras duraderas como acueductos, carreteras, anfiteatros y templos. Muchas de estas estructuras se convirtieron en la base de la topografía de la ciudad.
Desde entonces, a lo largo de los siglos, la ciudad ha crecido en capas, con edificios que suben y bajan con los cambios provocados por las guerras, los disturbios sociales y el paso del tiempo. En la época medieval, la gente utilizaba materiales de edificios antiguos rotos y abandonados para nuevas construcciones. En los tiempos modernos, las calles y los edificios suelen construirse directamente sobre cimientos antiguos.
"Los cristales que crecen en la superficie del vidrio también son un reflejo de los cambios en las condiciones que ocurrieron en el suelo a medida que la ciudad evolucionó:un registro de su historia ambiental", dijo Guidetti.
Más información: Guidetti, Giulia et al, Cristales fotónicos construidos por el tiempo en vidrio romano antiguo, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI:10.1073/pnas.2311583120. doi.org/10.1073/pnas.2311583120
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por la Universidad de Tufts
