Descubren cómo un trozo de vidrio romano antiguo se convirtió en un moderno cristal fotónico

Un fragmento de vidrio romano de 2000 años de antigüedad se ha transformado naturalmente en un cristal fotónico que solo se conoce desde 1887 y que hoy tiene diversas aplicaciones industriales desconocidas en la antigüedad. La ciencia explica cómo ha sido posible.

Un fragmento de vidrio romano descubierto hace diez años en Italia revela un sorprendente fenómeno óptico: su superficie se ha transformado en un material nanocapa, formado por nanopartículas esféricas, que refleja la luz como las alas de una mariposa.

Una investigación ha descubierto ahora cómo se produjo esta transformación y qué nos dice sobre la antigua tecnología del vidrio, informa la revista Physics.

Romanos pioneros

El vidrio es uno de los materiales más antiguos y versátiles que ha creado el ser humano. Desde la Edad del Bronce, las civilizaciones han utilizado el vidrio para fabricar cuentas, vasijas, figuras y otros objetos decorativos o funcionales.

Los romanos fueron los primeros en desarrollar la técnica del soplado de vidrio en el siglo I a.C., lo que les permitió producir vidrio más barato y rápido y en una mayor variedad de formas. El vidrio romano se extendió por todo el imperio y se ha conservado en gran cantidad hasta nuestros días.

Sorpresa en Aquileia

Uno de estos ejemplos de vidrio romano es un fragmento encontrado en 2012 en una zona rural del noreste de Italia, cerca de Aquileia, una ciudad fundada en el año 181 a.C. que sufrió inundaciones, terremotos, asedios y saqueos a lo largo de su historia. El fragmento de vidrio llama la atención por su coloración: una superficie iridiscente de azul profundo y oro brillante sobre un sustrato de verde oscuro.

El descubrimiento del cristal fotónico tan antiguo intrigó a los científicos, porque desconocían cómo había adquirido colores tan llamativos.

Pruebas físicas y químicas

Para aclarar este origen, Giulia Guidetti, de la Universidad de Tufts, en Massachusetts, y sus colaboradores realizaron una serie de pruebas químicas y físicas al fragmento de vidrio de Aquileia.

Comparando su composición química con la de otros hallazgos, estimaron que el vidrio se fabricó entre los años 100 a.C. y 100 d.C., utilizando arena rica en sodio procedente de Egipto. El color verde oscuro del sustrato se debe al uso de ceniza vegetal como agente reductor por parte del vidriero.

Diferentes escalas

Los colores azul y oro, sin embargo, se originaron más tarde, durante el proceso de degradación. Al examinar el fragmento con microscopios ópticos y electrónicos, los investigadores descubrieron estructuras a varias escalas.

A la mayor escala, hay dominios cóncavos de tamaño micrométrico que se distribuyen aleatoriamente sobre la superficie, como cráteres en la Luna. Paralelas a la superficie hay miles de capas finas, principalmente de sílice, que alternan en densidad -y por tanto en índice de refracción- entre alta y baja.

Cristal fotónico

Estas capas forman un cristal fotónico: un material periódico que afecta a la propagación de la luz. Dependiendo del ángulo y la longitud de onda de la luz incidente, algunas frecuencias se reflejan y otras se transmiten o se absorben. Esto produce el efecto iridiscente que vemos en las alas de algunas mariposas o en las plumas de algunos pájaros.

Los cristales fotónicos, de los que se empezó a hablar en 1887, aunque no se llamaron como tales hasta 1987, son utilizados actualmente como láminas ópticas delgadas en lentes, espejos, tintas y pinturas, aplicaciones que los romanos de la época desconocían completamente.

Reacción química

Para explicar cómo se formó este cristal fotónico de forma natural a partir del vidrio amorfo, los investigadores proponen que se debió a una reacción química entre el vidrio y el agua subterránea durante los dos milenios que estuvo enterrado.

Según esta versión, el agua disolvió parte del sodio del vidrio, dejando huecos que redujeron la densidad del material. Además, el agua provocó la hidratación y la cristalización parcial del sílice, aumentando su densidad. Estos cambios dieron lugar a las capas alternas de baja y alta densidad.

Ejemplo único

El fragmento de vidrio de Aquileia es un ejemplo único de cómo un material puede transformarse por accidente en otro con propiedades ópticas muy diferentes.

Este hallazgo nos muestra que los antiguos romanos ya fabricaban vidrios con estructuras nanométricas sin saberlo, y nos invita a explorar otras posibles aplicaciones del vidrio como material fotónico.

Referencia

Photonic crystals built by time in ancient Roman glass. Giulia Guidetti et al. PNAS, September 18, 2023, 120 (39) e2311583120. DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2311583120