古羅馬玻璃碎片經過幾個世紀的變遷，讓現代科學家看到了過去和未來潛在的技術應用。這些被埋藏了千年的碎片經歷了分子變化，最終形成了光子晶體，現在已被用於先進技術中。研究人員奧梅內托和圭代蒂對這種天然的奈米加工非常著迷，他們進行了詳細的研究，揭示了玻璃複雜的結構變化。他們的發現不僅揭示了古代全球貿易和羅馬建築的演變，也提出了製造光學材料的潛在新方法。

研究人員揭示了幾個世紀以來腐蝕和結晶形成光子晶體的過程。

大約2000 年前，在古羅馬，裝滿葡萄酒、水或異國香水的玻璃容器從市集的桌子上掉落，在地上摔成無數碎片。在隨後的幾個世紀裡，這些碎片被埋在土層和碎石之下，並不斷受到溫度、濕度和周圍礦物質變化的影響。

現在，這些微小的玻璃碎片從建築工地和考古挖掘中被發現，並展現出非同尋常的一面。它們的表面鑲嵌著藍色、綠色和橙色等五彩繽紛的顏色，有些還顯示出閃閃發光的金色鏡面。

這些美麗的玻璃製品通常作為吊墜或耳環鑲嵌在珠寶上，而更大更完整的物件則陳列在博物館中。

光子晶體及其意義

對於塔夫茨大學Silklab 工程學教授、材料科學專家菲奧倫佐-奧梅內托（Fiorenzo Omenetto）和朱莉婭-圭德蒂（Giulia Guidetti）來說，令人著迷的是玻璃中的分子如何經過數千年的重新排列並與礦物重新組合，形成所謂的光子晶體–原子的有序排列，以非常特殊的方式過濾和反射光線。

光子晶體在現代科技中有許多應用。它們可用於製造波導、光開關和其他設備，在電腦和互聯網上實現快速光通訊。由於光子晶體可以阻擋特定波長的光，同時允許其他波長的光通過，因此可用於濾波器、雷射、鏡子和防反射（隱形）裝置。

古羅馬玻璃表面的光子晶體微觀圖。圖片來源：Giulia Guidetti

在最近發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS）上的一項研究中，奧梅內托、圭代蒂及其合作者報告了由玻璃的原始矽酸鹽和礦物成分形成的獨特原子和礦物結構，這些結構受周圍環境的pH 值和土壤中地下水水平波動的影響。

這個計畫始於一次參觀義大利理工學院（IIT）文化遺產技術中心的偶然機會。歐梅內託說：”架子上這塊閃閃發光的美麗玻璃吸引了我們的注意。這是一塊在意大利阿奎萊亞古城附近發現的羅馬玻璃碎片。」中心主任阿里安娜-特拉維吉亞說，她的團隊親切地稱它為’Wow玻璃’。他們決定仔細觀察一下。

研究人員很快意識到，他們看到的是大自然對光子晶體的奈米加工。奧梅內託說：”在泥漿中沉積了兩千年的玻璃，最終卻成為了奈米光子元件的教科書式範例，這真的很了不起。“

腐蝕與重建

根據印度理工學院團隊的化學分析，這塊玻璃碎片的年代在公元前1 世紀到公元前1 世紀之間，產地是埃及的沙地–這與當時的全球玻璃貿易鏈吻合。這塊玻璃碎片的主體保留了原有的墨綠色，但在其表面有一毫米厚的銅鏽，幾乎呈現出完美鏡面金色反光。奧梅內托和圭代蒂使用了一種新型掃描電子顯微鏡，它不僅能顯示材料的結構，還能提供元素分析。

圭代蒂說：”這種儀器能以高解析度告訴你材料是由什麼構成的，以及元素是如何組合在一起的。”

研究發現，銅綠具有一種分層結構，由高度規則、微米厚的二氧化矽層組成，密度高低交替，類似於稱為布拉格疊層的反射鏡。每個布拉格堆疊都能強烈反射不同的、波長相對較窄的光。數十個布拉格疊層的垂直堆積形成了銅綠的金色鏡面外觀。

這種結構是如何逐漸形成的呢？研究人員提出了一種可能的機制，經過了幾個世紀的耐心研究。圭代蒂說：「這很可能是一個腐蝕和重建的過程。周圍的粘土和雨水決定了礦物質的擴散和玻璃中二氧化矽的周期性腐蝕。同時，結合二氧化矽和礦物質的100 奈米厚層的組裝也在循環進行。其結果是數百層結晶材料形成了令人難以置信的有序排列”。

奧梅內托補充說：『雖然玻璃的年齡可能是其魅力的一部分，但在這種情況下，如果我們能在實驗室中大大加快這一過程，我們可能會找到一種方法來生長光學材料，而不是製造它們。”

歷史平行

衰變和重建的分子過程與羅馬城本身有些相似之處。古羅馬人熱衷於建造長久的建築，如渡槽、道路、圓形劇場和神殿。其中許多建築成為了城市地形的基礎。

幾個世紀以來，這座城市層層發展，建築物隨著戰爭、社會動盪和時間的流逝而興衰。在中世紀，人們利用殘破和廢棄的古老建築材料進行新建。在現代，街道和建築往往直接建在古代地基之上。

圭代蒂說：”玻璃表面生長的晶體也反映了城市發展過程中地表條件的變化，是城市環境歷史的記錄。”