Das antike römische „Wow-Glas“ weist eine über Jahrhunderte geschmiedete photonische Kristallpatina auf – Ars Technica

Die Natur ist der ultimative Nanofabrikator. Der neueste Beweis dafür ist eine ungewöhnliche Scherbe antiken römischen Glases (das sogenannte „Wow-Glas“), das eine dünne, goldfarbene Patina aufweist. Römische Glasscherben zeichnen sich durch ihre schillernden Blau-, Grün- und Orangetöne aus – das Ergebnis des Korrosionsprozesses, der das Glas langsam zu photonischen Kristallen umstrukturiert – und der schimmernde, spiegelartige Goldglanz dieses besonderen Scherbens ist ein seltenes Beispiel mit ungewöhnlichen optischen Eigenschaften , laut einem neuen Artikel, der in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde.

Es ist ein weiteres Beispiel für natürlich vorkommende Strukturfärbung. Wie bereits berichtet, entstehen die leuchtend schillernden Farben in Schmetterlingsflügeln, Seifenblasen, Opalen oder Käferpanzern nicht von Pigmentmolekülen, sondern von ihrer Struktur – natürlich vorkommenden photonischen Kristallen. In der Natur sind beispielsweise Schuppen aus Chitin (einem in Insekten vorkommenden Polysaccharid) dachziegelartig angeordnet. Im Wesentlichen bilden sie ein Beugungsgitter, mit der Ausnahme, dass photonische Kristalle nur bestimmte Farben oder Wellenlängen des Lichts erzeugen, während ein Beugungsgitter ähnlich wie ein Prisma das gesamte Spektrum erzeugt.

Photonische Kristalle, auch als photonische Bandlückenmaterialien bekannt, sind „abstimmbar“, was bedeutet, dass sie genau so angeordnet sind, dass sie bestimmte Lichtwellenlängen blockieren und andere durchlassen. Ändern Sie die Struktur, indem Sie die Größe der Kacheln ändern, und die Kristalle werden für eine andere Wellenlänge empfindlich. Sie werden in der optischen Kommunikation als Wellenleiter und Schalter sowie in Filtern, Lasern, Spiegeln und verschiedenen Antireflex-Stealth-Geräten verwendet.

Wissenschaftler können ihre eigenen strukturell gefärbten Materialien im Labor herstellen, es kann jedoch schwierig sein, den Prozess für kommerzielle Anwendungen zu erweitern, ohne die optische Präzision zu beeinträchtigen. Daher ist die Schaffung von Strukturfarben, wie sie in der Natur vorkommen, ein aktives Gebiet der Materialforschung. Beispielsweise haben Wissenschaftler der Universität Cambridge Anfang des Jahres eine innovative neue Folie auf Pflanzenbasis entwickelt, die bei Sonneneinstrahlung kühler wird und sich daher ideal für die Kühlung von Gebäuden oder Autos in der Zukunft eignet, ohne dass eine externe Stromquelle erforderlich ist. Die erzeugten Filme sind zwar farbig, aber es handelt sich um eine Strukturfarbe in Form von Nanokristallen, die nicht auf die Zugabe von Pigmenten oder Farbstoffen zurückzuführen ist.

Und letztes Jahr haben Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology eine vom Physiker Gabriel Lippmann erfundene holografische Fotografietechnik aus dem 19. Jahrhundert adaptiert, um chamäleonartige Filme zu entwickeln, die beim Strecken ihre Farbe ändern. Die Folien wären ideal für die Herstellung von Verbänden, die ihre Farbe als Reaktion auf Druck ändern und medizinisches Fachpersonal darüber informieren, wenn sie eine Wunde zu fest umschließen – ein wichtiger Faktor bei der Behandlung von Erkrankungen wie Venengeschwüren, Druckgeschwüren, Lymphödemen und Narbenbildung. Kinder würden gerne Verbände tragen, die ihre Farbe ändern, was für Kinderärzte ein Segen wäre. Und die Möglichkeit, große Bahnen aus dem Material herzustellen, eröffnet Anwendungen in der Bekleidungs- und Sportbekleidung.

Fiorenzo Omenetto, ein Materialwissenschaftler an der Tufts University und Mitautor des neuen Artikels, entdeckte die einzigartige Scherbe, als er das Zentrum für Kulturerbe-Technologie des italienischen Instituts für Technologie besuchte, und kam zu dem Schluss, dass weitere wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich seien. „Dieses wunderschöne funkelnde Glasstück im Regal erregte unsere Aufmerksamkeit“, sagte Omenetto. „Es war ein Fragment römischen Glases, das in der Nähe der antiken Stadt Aquileia in Italien gefunden wurde.“ Der Direktor des Zentrums gab ihm den Spitznamen „Wow-Glas“.

Aquileia wurde 181 v. Chr. von den Römern zunächst als militärischer Außenposten gegründet, blühte jedoch bald zu einem Handelszentrum auf, unter anderem mit geschmiedetem Metall, baltischem Bernstein, Wein und antikem Glas. „Der Fund eines Holzfasses mit 11.000 Glasfragmenten im Wrack eines römischen Schiffs im Meer vor Aquileia zeigt die führende Position der Stadt beim Austausch und der Verarbeitung von recyceltem Glas entlang der Handelsrouten“, schreiben die Autoren. Im zweiten Jahrhundert n. Chr. hatte die Stadt auf ihrem Höhepunkt eine Bevölkerung von 100.000 Einwohnern. Nach der Plünderung durch Attila und seine Hunnen im Jahr 452 und erneut durch die Langobarden im Jahr 590 schwand ihr Reichtum. Heute hat die Stadt nur noch etwa 3.500 Einwohner, ist aber nach wie vor eine bedeutende archäologische Stätte.

Archäologen fanden das „Wow-Glas“ bei einer Feldbegehung im Jahr 2012 auf dem Mutterboden eines landwirtschaftlichen Feldes – höchstwahrscheinlich kam es durch kürzliches Pflügen an die Oberfläche – und waren sofort von seinem charakteristischen polychromatischen Aussehen beeindruckt. Es wurden etwa 780 Glasfragmente gleichzeitig gesammelt, diese wiesen jedoch die übliche schillernde Patina auf, die für antikes römisches Glas üblich ist. Dieser Scherben hatte zwar in der Masse eine dunkelgrüne Farbe, war jedoch von einer millimeterdicken goldfarbenen Patina bedeckt, die in ihren reflektierenden Eigenschaften fast spiegelnd war. Um mehr zu erfahren, haben Omenetto und seine Co-Autoren die Scherbe sowohl einer optischen Mikroskopie als auch einer neuen Art der Rasterelektronenmikroskopie (REM) unterzogen, die nicht nur die Struktur eines Materials mit nanoskaliger Auflösung, sondern auch seine Elementzusammensetzung aufdeckt.

Die chemische Analyse datierte das Glas auf die Zeit zwischen dem ersten Jahrhundert v. Chr. und dem ersten Jahrhundert n. Chr. Der Titangehalt war hoch, was darauf hindeutet, dass der zur Herstellung des Glases verwendete Sand ägyptischen Ursprungs war und typischerweise mehr Verunreinigungen aufwies. Was die dunkelgrüne Farbe betrifft, die in der Masse des Fragments immer noch vorhanden ist, vermuten die Autoren, dass dies auf das Vorhandensein von Eisen zurückzuführen ist. Bis etwa zur Mitte des 2. Jahrhunderts n. Chr. wurde römisches Glas entweder aus syrisch-levantinischem Rohglas aus relativ reinem Sand hergestellt – was zu einer schwarzen/violetten Farbe führte – oder aus Glas mit hohem Magnesiumgehalt, das aus unreinem eisenhaltigem Sand und dem Zusatz hergestellt wurde Pflanzenasche, um eine dunkelgrüne Farbe zu verleihen. Das steht im Einklang mit dieser neuen Analyse des „Wow-Glases“.

Die REM-Analyse zeigte das Vorhandensein einer präzisen hierarchischen Ordnung zur Bildung sogenannter „Bragg-Stapel“ – im Wesentlichen eindimensionale photonische Kristalle mit abwechselnden Schichten aus Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex, die zu einer Strukturfarbe führen. In einem idealen Bragg-Stapel sind die Schichten gleich dick. Aber im „Wow-Glas“ war eine Schicht dicker und dichter als die andere, was ihm dieses brillante metallische Aussehen verlieh. Konkret reflektierte jeder Bragg-Stapel eine andere schmale Wellenlänge des Lichts, und Dutzende davon übereinander gestapelt führten zu der stark reflektierenden goldenen Patina auf dem Splitter.

Dies ist ein Beweis dafür, dass das Glasartefakt durch „eine pH-gesteuerte chemische Veränderung von Kieselsäure entstanden ist, die nicht die gleichen strengen Materialbeschränkungen auferlegt wie in natürlichen tierbasierten Systemen“, schreiben die Autoren. Wenn sie einen Weg finden könnten, diesen Prozess so zu beschleunigen, dass es nicht Jahrhunderte dauert, bis sich eine solche Patina bildet, „könnten wir laut Omenetto einen Weg finden, optische Materialien zu züchten, anstatt sie herzustellen.“

„Dies ist wahrscheinlich ein Prozess der Korrosion und des Wiederaufbaus“, sagte Co-Autorin Giulia Guidetti, ebenfalls bei Tufts. „Der umgebende Ton und der Regen bestimmten die Diffusion von Mineralien und eine zyklische Korrosion der Kieselsäure im Glas. Gleichzeitig kam es zyklisch auch zum Aufbau von 100 Nanometer dicken Schichten, die Siliziumdioxid und Mineralien kombinierten. Das Ergebnis ist eine unglaublich geordnete Anordnung von Hunderten Schichten kristallinen Materials. Die auf der Glasoberfläche gewachsenen Kristalle spiegeln auch die Veränderungen der Bedingungen im Boden wider, die im Zuge der Entwicklung der Stadt eintraten – ein Zeugnis ihrer Umweltgeschichte.“

DOI: PNAS, 2023. 10.1073/pnas.2311583120 (Über DOIs).