Les chercheurs ont révélé comment les cristaux photoniques ont été créés par corrosion et cristallisation au fil des siècles. Il y a environ 2 000 ans, dans la Rome antique, des récipients en verre contenant du vin, de l'eau ou des parfums exotiques roulaient des tables du marché et se brisaient dans les rues. Au fil des siècles, les fragments se sont recouverts de couches de poussière et de saleté, exposés à des cycles constants de température, d’humidité et de minéraux environnants.
Aujourd’hui, ces minuscules éclats de verre ont été découverts sur des chantiers de construction et des fouilles archéologiques et révèlent quelque chose d’extraordinaire. Leurs surfaces sont parsemées de couleurs colorées telles que le bleu, le vert et l'orange, et certaines présentent des miroirs dorés scintillants.
Ces belles pièces de verre sont souvent serties dans des bijoux sous forme de pendentifs ou de boucles d'oreilles, tandis que des pièces plus grandes et plus complètes sont exposées dans les musées.
Pour Omenetto et Guidetti, professeurs d'ingénierie Silklab à l'Université Tufts et experts en science des matériaux, ce qui est fascinant, c'est la façon 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 d'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 fabriquer des guides d’ondes, des commutateurs optiques et d’autres dispositifs permettant des communications optiques rapides dans les ordinateurs et sur Internet. Étant donné que les cristaux photoniques peuvent bloquer certaines longueurs d'onde de la lumière tout en laissant passer d'autres longueurs d'onde, ils sont utilisés dans les filtres, les lasers, les miroirs et les dispositifs antireflet (occultation).
Dans une étude récente publiée dans les Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS), Omenetto, Guidetti et leurs collaborateurs rapportent des structures atomiques et minérales uniques formées à partir des composants silicatés et minéraux d'origine du verre, qui sont affectées par le pH de l'environnement et les fluctuations des niveaux d'eau dans le sol.
Le projet a commencé par une visite fortuite au Centre technologique du patrimoine culturel de l'Institut italien de technologie (IIT). "Ce magnifique morceau de verre scintillant sur l'étagère a attiré notre attention", a déclaré Omenetto.
Il s'agit d'un éclat de verre romain trouvé près de l'ancienne ville d'Aquilée, en Italie. La directrice du centre, Arianna Traviggia, a déclaré que son équipe l'appelle affectueusement « Wow Glass ». Ils décidèrent d'y regarder de plus près.
Les chercheurs se sont vite rendu compte que ce qu’ils voyaient était une nanofabrication naturelle de cristaux photoniques. "Il est vraiment remarquable que le verre déposé dans la boue depuis deux mille ans soit devenu un exemple classique de dispositif nanophotonique", a déclaré Omenetto.
Selon l'analyse chimique réalisée par l'équipe de l'IIT, le tesson de verre est daté entre le 1er siècle avant JC et le 1er siècle avant JC et a été produit dans les sables d'Égypte - une indication du commerce mondial à l'époque. Le corps principal de cet éclat de verre conserve sa couleur vert foncé d'origine, mais présente une patine d'un millimètre d'épaisseur sur sa surface, lui conférant un reflet doré semblable à un miroir presque parfait. Omenetto et Guidetti ont utilisé un nouveau type de microscope électronique à balayage qui montre non seulement la structure du matériau, mais fournit également une analyse élémentaire. Cet instrument peut nous dire à haute résolution de quoi est composé un matériau et comment les éléments s’assemblent.
Ils ont pu voir que la patine avait une structure en couches composée de couches très régulières de dioxyde de silicium d'une épaisseur micrométrique qui alternaient entre des densités élevées et faibles, semblables aux réflecteurs connus sous le nom d'empilements de Bragg. Chaque pile de Bragg réfléchit fortement une longueur d’onde de lumière différente et relativement étroite. L’empilement vertical de dizaines de piles Bragg crée un aspect miroir doré patiné.
Comment cette structure s’est-elle progressivement formée ? Les chercheurs ont proposé un mécanisme possible qui a été patiemment étudié pendant des siècles. "Il s'agit très probablement d'un processus de corrosion et de reconstruction", a déclaré Guidetti. "L'argile et l'eau de pluie environnantes déterminent la diffusion des minéraux et la corrosion périodique de la silice dans le verre. Dans le même temps, des couches de 100 nanomètres d'épaisseur combinant silice et minéraux sont également assemblées de manière cyclique. Le résultat est un arrangement incroyablement ordonné de centaines de couches de matériau cristallin."
"Bien que l'âge du verre puisse faire partie de son charme, dans ce cas, si nous pouvions accélérer considérablement le processus en laboratoire, nous pourrions trouver un moyen de faire pousser des matériaux optiques au lieu de les fabriquer", a ajouté Omenetto.
Les processus moléculaires de décomposition et de reconstruction présentent certaines similitudes avec la ville de Rome elle-même. Les anciens Romains tenaient à construire des structures durables telles que des aqueducs, des routes, des amphithéâtres et des temples. Beaucoup de ces bâtiments sont devenus la base de la topographie de la ville.
Au fil des siècles, la ville s'est développée par couches, avec des bâtiments qui s'élèvent et s'effondrent en réponse à la guerre, aux troubles sociaux et au passage du temps. Au Moyen Âge, les gens utilisaient des matériaux de construction anciens délabrés et abandonnés pour construire de nouveaux bâtiments. À l’époque moderne, les rues et les bâtiments sont souvent construits directement sur des fondations anciennes.
"Les cristaux qui se développent sur la surface du verre reflètent également les changements dans les conditions de surface au cours du développement urbain et constituent un témoignage de l'histoire de l'environnement urbain", a déclaré Guidetti.
Source compilée : ScitechDaily