Selon des chercheurs italiens et américains, une patine irisée distinctive sur un ancien fragment de verre romain provient d'une structure cristalline photonique qui s'est formée naturellement dans le matériau au fil du temps. Le cristal inhabituel contient des couches alternées de couches de silice de haute et basse densité qui ressemblent à des réflecteurs connus sous le nom d'empilements de Bragg, et leur présence fait briller la surface du fragment comme un miroir doré. En plus de révéler les caractéristiques à l’échelle nanométrique du verre ancien, cette découverte est un exemple d’architecture photonique complexe naturellement nanofabriquée – quelque chose qui pourrait inspirer de nouvelles stratégies pour produire différentes compositions de verre en les vieillissant artificiellement.

Les objets anciens en verre présentent souvent des patines irisées qui se forment progressivement par corrosion. Ce processus naturel implique que les particules de silice présentes dans le verre se dissolvent et se reprécipitent à plusieurs reprises. La composition finale et la structure de la patine dépendent de deux facteurs : les réactions entre les constituants d'origine du verre et les produits chimiques présents dans le sol chargé en eau, et le pH de l'eau. Ces réactions restructurent le verre en couches, ou lamelles, d'une épaisseur allant du nanomètre au micron, formées de nanoparticules dont la densité de tassement alterne régulièrement. Ce sont ces lamelles qui donnent son éclat à la patine.

Dans leur étude, Giulia Guidetti de l'Université Tufts Laboratoire de soie ainsi que le Roberta Zanini ainsi que le Giulia Franceschin au Centre de technologie du patrimoine culturel (CCHT) de l'Institut italien de technologie a choisi d'analyser un fragment de verre romain récupéré près de l'ancienne ville d'Aquilée, à environ 100 km au nord-est de Venise. Grâce aux analyses chimiques obtenues par spectroscopie de masse par ablation laser, ils ont confirmé que le verre était composé de silice-sodo-calcique (ce qui est typique du verre produit dans l'empire romain) et ont daté l'échantillon entre le premier siècle avant notre ère et le premier siècle de notre ère. . Ils ont ensuite utilisé la microscopie optique et électronique pour caractériser la composition de la patine d'un millimètre d'épaisseur et ont découvert qu'elle brillait et réfléchissait la lumière sur une large gamme de longueurs d'onde.

Piles Bragg à haute réflectivité

Les chercheurs affirment que ces propriétés proviennent d’empilements de domaines nanostructurés hautement ordonnés dans la patine qui se comportent individuellement comme des empilements de Bragg à haute réflectivité. Le comportement collectif de ces domaines implique que le matériau initialement amorphe s'est transformé en cristaux photoniques bien organisés grâce à des processus de corrosion à long terme et à l'auto-assemblage des nanoparticules de silice dans le verre. En effet, hormis la patine, l'essentiel du verre reste dans sa forme originale et est de couleur vert foncé.

"Il est remarquable qu'une nanostructure aussi sophistiquée, quelque chose que les chercheurs et les ingénieurs en photonique consacrent beaucoup de temps et d'efforts à fabriquer dans des salles blanches, se soit formée en étant enfouie dans le sol pendant des milliers d'années", déclare Fiorenzo Omenetto, ingénieur biomécanique et responsable de Laboratoire de soie. "Scientifiquement parlant, ce processus de corrosion peut être une source d'inspiration pour une approche différente de la production de "couleurs structurelles" et de miroirs, à condition bien sûr que la transformation du verre soit considérablement accélérée."

Vivons-nous à l'ère du verre ?

Mais il souligne surtout « la joie de faire une découverte aussi inattendue. Cet échantillon scintillait littéralement sur une étagère et attirait notre attention lorsque nous passions devant.

Les chercheurs, qui rapportent leurs travaux PNAS, travaillent actuellement à l'identification d'autres objets anciens en verre présentant des caractéristiques similaires. "Bien que les patines irisées sur le verre ancien soient relativement courantes, ce fragment particulier, caractérisé comme un cristal photonique, présente un cas unique", a déclaré le directeur du CCTR. Ariane Traviglia raconte Monde de la physique. "Notre objectif est d'étudier plus en profondeur ce phénomène et de comprendre les conditions environnementales qui facilitent son apparition."

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• La source: https://physicsworld.com/a/photonic-crystals-formed-over-time-in-ancient-roman-glass/