Il y a environ 2 000 ans, dans la Rome antique, des récipients en verre contenant du vin, de l’eau ou peut-être des parfums exotiques tombaient d’une table sur un marché et se brisaient en morceaux dans la rue. Au fil des siècles, ces fragments de verre ont été recouverts de poussière et de terre, exposés à des changements continus de température, d’humidité et de minéraux environnants.
Aujourd’hui, ces minuscules morceaux de verre sont découverts sur des chantiers de construction et des fouilles archéologiques, révélant leur caractère extraordinaire.
Des trésors cachés dans le verre antique
À la surface de ces fragments se trouve une mosaïque de couleurs iridescentes bleues, vertes et oranges, certaines présentant des miroirs dorés scintillants. Ces magnifiques artefacts en verre sont souvent intégrés dans des bijoux sous forme de pendentifs ou de boucles d’oreilles, tandis que des objets plus grands et plus complets sont exposés dans les musées.
Pour Fiorenzo Omenetto et Giulia Guidetti, professeurs d’ingénierie à la Tufts University Silklab et experts en science des matériaux, ce qui est fascinant, c’est la manière dont les molécules du verre se sont réorganisées et recombinées avec les minéraux pendant des milliers d’années pour former ce que l’on appelle des cristaux photoniques – des arrangements ordonnés d’atomes qui filtrent et réfléchissent la lumière de manière très spécifique.
Applications des cristaux photoniques
Les cristaux photoniques ont de nombreuses applications dans la technologie moderne. Ils peuvent être utilisés pour créer des guides d’ondes, des commutateurs optiques et d’autres dispositifs pour des communications optiques très rapides dans les ordinateurs et sur Internet.
Comme ils peuvent être conçus pour bloquer certaines longueurs d’onde de la lumière tout en laissant passer d’autres, ils sont utilisés dans les filtres, les lasers, les miroirs et les dispositifs anti-réflexion (furtifs).
Une découverte fortuite
Dans une étude récente publiée dans les Proceedings of the National Sciences USA, Omenetto, Guidetti et leurs collaborateurs rapportent les structures atomiques et minérales uniques qui se sont formées à partir des constituants silicates et minéraux d’origine du verre, modulées par le pH de l’environnement environnant et les niveaux fluctuants des eaux souterraines dans le sol.
Le projet a commencé par hasard lors d’une visite au Centre de technologie du patrimoine culturel de l’Institut italien de technologie (IIT).
« Ce magnifique morceau de verre scintillant sur l’étagère a attiré notre attention », a indiqué le prof. Omenetto. « C’était un fragment de verre romain récupéré près de l’ancienne ville d’Aquilée, en Italie. » Arianna Traviglia, directrice du Centre, a déclaré que son équipe l’appelait affectueusement le « verre waouh ». Ils ont décidé d’y regarder de plus près.
La nanofabrication de la nature
Les chercheurs ont rapidement réalisé qu’ils étaient en train d’examiner la nanofabrication de cristaux photoniques par la nature. « C’est vraiment remarquable que vous ayez du verre qui repose dans la boue pendant deux millénaires et que vous finissiez par obtenir quelque chose qui est un exemple de manuel d’un composant nanophotonique », a ajouté le Prof. Omenetto.
Corrosion et reconstruction
L’analyse chimique de l’équipe de l’IIT a daté le fragment de verre entre le 1er siècle avant J.-C. et le 1er siècle après J.-C., avec des origines dans les sables d’Égypte – une indication du commerce mondial de l’époque. La majeure partie du fragment a conservé sa couleur verte foncée d’origine, mais à sa surface se trouvait une patine épaisse d’un millimètre qui avait une réflexion dorée presque parfaite, semblable à un miroir.
Les deux scientifiques ont utilisé un nouveau type de microscope électronique à balayage qui révèle non seulement la structure du matériau, mais fournit également une analyse élémentaire. « En gros, c’est un instrument qui peut vous dire avec une haute résolution de quoi est fait le matériau et comment les éléments sont assemblés », a expliqué la Prof. Guidetti.
Ils ont pu voir que la patine possédait une structure hiérarchique composée de couches de silice très régulières et micrométriques, alternant entre des densités élevées et faibles, ressemblant à des réflecteurs connus sous le nom de piles de Bragg. Chaque pile de Bragg reflétait fortement différentes longueurs d’onde relativement étroites de la lumière. L’empilement vertical de dizaines de piles de Bragg a donné à la patine son apparence de miroir doré.
Un processus patient
Comment cette structure s’est-elle formée au fil du temps ? Les chercheurs suggèrent un mécanisme possible qui s’est déroulé patiemment pendant des siècles.
« Il s’agit probablement d’un processus de corrosion et de reconstruction », a commenté la Prof. Guidetti. « L’argile environnante et la pluie ont déterminé la diffusion des minéraux et une corrosion cyclique de la silice dans le verre. En même temps, l’assemblage de couches de 100 nanomètres d’épaisseur combinant la silice et les minéraux s’est également produit en cycles. Le résultat est un agencement incroyablement ordonné de centaines de couches de matériaux cristallins. »
En synthèse
« Alors que l’âge du verre peut faire partie de son charme, dans ce cas, si nous pouvions accélérer de manière significative le processus en laboratoire, nous pourrions peut-être trouver un moyen de faire pousser des matériaux optiques plutôt que de les fabriquer », a ajouté Fiorenzo Omenetto.
À l’époque moderne, les rues et les bâtiments sont souvent construits directement sur d’anciennes fondations. « Les cristaux qui se sont formés à la surface du verre sont également le reflet des changements de conditions qui se sont produits dans le sol à mesure que la ville évoluait – un enregistrement de son histoire environnementale », a conclu Giulia Guidetti.
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce qu’un cristal photonique ?
Un cristal photonique est un arrangement ordonné d’atomes qui filtre et réfléchit la lumière de manière très spécifique. Ils ont de nombreuses applications dans la technologie moderne, notamment dans les communications optiques, les filtres, les lasers, les miroirs et les dispositifs anti-réflexion.
2. Comment les cristaux photoniques se sont-ils formés sur le verre antique ?
Les cristaux photoniques se sont formés sur le verre antique en raison de la réorganisation et de la recombinaison des molécules de verre avec les minéraux environnants pendant des milliers d’années. Ce processus a été influencé par le pH de l’environnement et les niveaux fluctuants des eaux souterraines dans le sol.
3. Quelle est l’origine du verre étudié dans cette recherche ?
Le verre étudié provient de l’ancienne Rome et a été daté entre le 1er siècle avant J.-C. et le 1er siècle après J.-C. Il a des origines dans les sables d’Égypte, ce qui indique un commerce mondial à l’époque.
4. Comment la structure des cristaux photoniques s’est-elle formée au fil du temps ?
La structure des cristaux photoniques s’est formée grâce à un processus de corrosion et de reconstruction qui s’est déroulé patiemment pendant des siècles. L’argile environnante et la pluie ont déterminé la diffusion des minéraux et une corrosion cyclique de la silice dans le verre, tandis que l’assemblage de couches de 100 nanomètres d’épaisseur combinant la silice et les minéraux s’est également produit en cycles.
5. Quelle est la relation entre les cristaux photoniques et l’histoire environnementale ?
Les cristaux photoniques formés à la surface du verre reflètent les changements de conditions qui se sont produits dans le sol à mesure que la ville évoluait, constituant ainsi un enregistrement de son histoire environnementale.
Légende illustration principale : Cristaux photoniques sur du verre romain ancien vus de près. « Si nous pouvions trouver un moyen d’accélérer ce processus de 2000 ans, de le ramener à deux semaines ou deux jours, nous pourrions alors produire ces structures en laboratoire », a déclaré Fio Omenetto. Photo : Giulia Guidetti – Tufts University
Proceedings of the National Academy of Sciences; N00014-19-1-2399
