Hace unos 2.000 años, en la antigua Roma, los vasos de vidrio que transportaban vino o agua, o tal vez un perfume exótico, se caían de una mesa en un mercado y se hacían pedazos en la calle. Con el paso de los siglos, los fragmentos quedaron cubiertos por capas de polvo y tierra y expuestos a un ciclo continuo de cambios de temperatura, humedad y minerales circundantes.

Ahora, estos diminutos trozos de vidrio salen a la luz en obras de construcción y excavaciones arqueológicas y se revelan como algo extraordinario. En su superficie hay un mosaico de colores iridiscentes azules, verdes y naranjas, y algunos muestran brillantes espejos dorados.

Estos bellos artefactos de vidrio suelen engarzarse en joyas como colgantes o pendientes, mientras que los objetos más grandes y completos se exponen en museos.

Para Fiorenzo Omenetto y Giulia Guidetti, profesores de ingeniería del Silklab de la Universidad de Tufts y expertos en ciencia de materiales, lo fascinante es cómo las moléculas del vidrio se reorganizaron y recombinaron con los minerales a lo largo de miles de años para formar lo que se denominan cristales fotónicos, disposiciones ordenadas de átomos que filtran y reflejan la luz de formas muy específicas.

Recipientes de vidrio romanos / foto Bjoertvedt en Wikimedia Commons

Los cristales fotónicos tienen muchas aplicaciones en la tecnología moderna. Pueden utilizarse para crear guías de ondas, conmutadores ópticos y otros dispositivos para comunicaciones ópticas muy rápidas en ordenadores y a través de Internet. Como pueden diseñarse para bloquear determinadas longitudes de onda de la luz y dejar pasar otras, se utilizan en filtros, láseres, espejos y dispositivos antirreflejos.

En un reciente estudio publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) de EE.UU., Omenetto, Guidetti y sus colaboradores informan sobre las singulares estructuras atómicas y minerales que se formaron a partir de los componentes minerales y de silicato originales del vidrio, modulados por el pH del entorno y los niveles fluctuantes de agua subterránea en el suelo.

El proyecto comenzó por casualidad durante una visita al Centro de Tecnología del Patrimonio Cultural del Instituto Italiano de Tecnología (IIT). Nos llamó la atención un hermoso trozo de vidrio brillante que había en la estantería, explica Omenetto. Era un fragmento de vidrio romano recuperado cerca de la antigua ciudad de Aquileia Italia. Arianna Traviglia, directora del Centro, dijo que su equipo se refería a él cariñosamente como el «vidrio wow». Decidieron examinarlo más de cerca.

Los investigadores pronto se dieron cuenta de que lo que estaban viendo era la nanofabricación de cristales fotónicos por la naturaleza. Es realmente sorprendente que tengas un vidrio que ha estado en el barro durante dos milenios y acabes teniendo algo que es un ejemplo de libro de texto de un componente nanofotónico, dijo Omenetto.

Vista microscópica de cristales fotónicos en la superficie de un antiguo vidrio romano | foto Giulia Guidetti

Los análisis químicos del equipo del IIT dataron el fragmento de vidrio entre el siglo I a.C. y el I d.C., con origen en las arenas de Egipto, un indicio del comercio mundial de la época. La mayor parte del fragmento conservaba su color verde oscuro original, pero en su superficie había una pátina de un milímetro de grosor que tenía un reflejo dorado casi perfecto como el de un espejo. Omenetto y Guidetti utilizaron un nuevo tipo de microscopio electrónico de barrido que no sólo revela la estructura del material, sino que también proporciona un análisis elemental. Básicamente, se trata de un instrumento que permite saber con gran resolución de qué está hecho el material y cómo se combinan los elementos, explica Guidetti.

Pudieron ver que la pátina poseía una estructura jerárquica formada por capas de sílice muy regulares, de micrómetros de grosor, de densidad alta y baja alternativamente, que parecían reflectores conocidos como pilas de Bragg. Cada pila de Bragg reflejaba intensamente diferentes longitudes de onda de luz relativamente estrechas. El apilamiento vertical de decenas de pilas de Bragg dio lugar al aspecto de espejo dorado de la pátina.

¿Cómo se formó esta estructura a lo largo del tiempo? Los investigadores sugieren un posible mecanismo que se desarrolló pacientemente durante siglos. Es probable que se trate de un proceso de corrosión y reconstrucción, explica Guidetti. La arcilla circundante y la lluvia determinaron la difusión de minerales y una corrosión cíclica de la sílice del vidrio. Al mismo tiempo, el ensamblaje de capas de 100 nanómetros de grosor que combinan la sílice y los minerales también se produjo en ciclos. El resultado es una disposición increíblemente ordenada de cientos de capas de material cristalino.

Aunque la antigüedad del cristal puede ser parte de su encanto, en este caso si pudiéramos acelerar significativamente el proceso en el laboratorio podríamos encontrar una forma de cultivar materiales ópticos en lugar de fabricarlos, añadió Omenetto.

El proceso molecular de descomposición y reconstrucción tiene algunos paralelismos con la propia ciudad de Roma. A los antiguos romanos les gustaba crear estructuras duraderas, como acueductos, carreteras, anfiteatros y templos. Muchas de estas estructuras se convirtieron en los cimientos de la topografía de la ciudad.

A lo largo de los siglos, la ciudad ha crecido en capas, con edificios que se levantan y se derrumban con los cambios provocados por las guerras, las convulsiones sociales y el paso del tiempo. En la Edad Media, se utilizaban materiales de edificios antiguos rotos y abandonados para nuevas construcciones. En los tiempos modernos, las calles y los edificios se construyen a menudo directamente sobre cimientos antiguos.

Los cristales que crecen en la superficie del vidrio son también un reflejo de los cambios que se produjeron en el suelo a medida que la ciudad evolucionaba, un registro de su historia medioambiental, explica Guidetti.

FUENTES

Tufts University

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

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