확대 / 고대 로마 유리 표면의 광결정을 현미경으로 본 모습.

줄리아 구이데티

자연은 최고의 나노 메이커입니다. 이에 대한 최신 증거는 얇은 금색 코팅이 있는 특이한 고대 로마 유리 조각(‘눈부신 유리’라고 불림)입니다. 로마 유리 파편은 파란색, 녹색, 주황색의 무지개 빛깔의 색상이 특징이며 유리를 천천히 재구성하여 유리를 형성하는 부식 과정의 결과입니다. 광결정이 껍질의 반짝이는 거울 같은 금광택은 특이한 광학 특성을 지닌 흔치 않은 예라고 합니다. 새로운 종이 국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 게재되었습니다.

이는 자연적으로 발생하는 구조적 착색의 또 다른 예입니다. 앞서 언급했듯이 나비 날개, 비눗방울, 오팔, 딱정벌레 껍질의 밝은 무지개 빛깔의 색상은 색소 분자에서 나오는 것이 아니라 자연적으로 발생하는 구조에 따라 결정됩니다. 광결정. 예를 들어, 자연에서는 키틴 껍질(곤충의 일반적인 다당류)이 지붕 타일처럼 배열되어 있습니다. 기본적으로 그들은 회절 격자광결정은 빛의 특정 색상이나 파장만 생성하는 반면 회절 격자는 프리즘처럼 전체 스펙트럼을 생성한다는 점을 제외하면.

포토닉 밴드 갭 재료라고도 알려진 광결정은 “조정 가능”합니다. 즉, 빛의 특정 파장을 차단하고 다른 파장은 통과하도록 정밀하게 배열되어 있음을 의미합니다. 타일의 크기를 변경하여 구조를 변경하면 결정이 다른 파장에 민감해집니다. 이는 필터, 레이저, 거울 및 숨겨진 반사 방지 장치뿐만 아니라 도파관 및 스위치와 같은 광통신에 사용됩니다.

과학자들은 실험실에서 자신만의 컬러 구조 재료를 만들 수 있지만 광학적 정확성을 희생하지 않고 상업적 응용을 위해 프로세스를 확장하는 것은 어려울 수 있습니다. 그래서 자연에서 발견되는 것과 같은 구조적 색상을 만들어내는 것이 재료 연구의 활발한 분야입니다. 예를 들어, 올해 초 케임브리지 대학교의 과학자들은 개발됨 혁신적인 새로운 식물 층은 햇빛에 노출되면 더 시원해지기 때문에 외부 전원이 필요 없이 미래의 건물이나 자동차를 냉각하는 데 이상적입니다. 생성된 필름은 다채롭지만 구조적으로는 색소나 염료를 첨가하지 않고 나노결정 형태로 착색된다.

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작년에 MIT 과학자들은 물리학자 Gabriel Lippmann이 발명한 19세기 홀로그램 기술을 수정하여 늘어나면 색상이 변하는 카멜레온 같은 필름을 개발했습니다. 이 필름은 압력에 반응하여 색상이 변하는 붕대를 만드는 데 이상적이며 의료진이 상처를 너무 세게 감싸고 있는지 알 수 있도록 해줍니다. 이는 정맥 궤양, 욕창, 림프부종 및 흉터와 같은 상태를 치료할 때 중요한 요소입니다. 색깔이 변하는 붕대는 아이들이 좋아할 것입니다. 소아과 의사에게 좋은 선물이 될 것입니다. 재료의 큰 시트를 만드는 능력은 의류와 스포츠웨어에 적용할 수 있는 가능성을 열어줍니다.

고대 로마 유리 샘플 표면에서 나온 작은 금 조각.
확대 / 고대 로마 유리 샘플 표면에서 나온 작은 금 조각.

피오렌조 오미니토(Fiorenzo Ominito)와 줄리아 구이데티(Giulia Guidetti)

새로운 논문을 공동 집필한 터프츠 대학교(Tufts University)의 재료 과학자인 Fiorenzo Ominito는 이탈리아 기술 연구소(Italian Institute of Technology)의 문화 유산 기술 센터를 방문하는 동안 독특한 조각을 발견하고 이것이 추가 과학적 연구의 가치가 있다고 결정했습니다. “선반 위에 반짝이는 아름다운 유리 조각이 우리의 눈길을 사로잡았습니다.” 우미네토가 말했다.. “이탈리아 고대 도시 아퀼레이아 근처에서 발견된 로마 유리 조각이었습니다.” 센터 원장은 이를 ‘눈부신 유리’라고 불렀다.

아퀼레이아는 기원전 181년 로마인에 의해 처음에는 군사 전초 기지로 설립되었지만 곧 단조 금속, 발트해 호박, 와인 및 고대 유리를 포함한 무역 중심지로 번성했습니다. “아퀼레이아 앞바다의 로마 난파선에서 11,000개의 유리 조각이 들어 있는 나무통이 발견된 것은 무역로를 따라 재활용 유리의 교환 및 가공에서 이 도시가 선도적인 위치를 차지하고 있음을 보여줍니다.”라고 썼습니다. 전성기였던 서기 2세기에는 도시의 인구가 10만명에 이르렀습니다. 452년 아틸라와 훈족, 그리고 590년 롬바르드족에 의해 다시 약탈된 후 그 재산은 쇠퇴했습니다. 오늘날 이 도시의 인구는 약 3,500명에 불과하지만 중요한 고고학 유적지로 남아 있습니다.

고고학자들은 2012년 현장 조사 중 농경지 표토에서 “눈부신 유리”를 발견했습니다. 최근 경작으로 인해 표면으로 옮겨진 것으로 추정되며, 그 독특한 다색 외관에 즉시 충격을 받았습니다. 동시에 수집된 유리 조각은 약 780개에 달했는데, 그 조각들은 고대 로마 유리에서 흔히 볼 수 있는 무지개빛 상아빛을 띠고 있었습니다. 이 껍질은 전체적으로 짙은 녹색이었지만 반사 특성이 거의 거울과 비슷한 밀리미터 두께의 황금색 녹청으로 덮여 있었습니다. 더 자세히 알아보기 위해 Ominito와 그의 동료들은 껍질에 광학 현미경과 새로운 유형의 주사 전자 현미경(SEM)을 적용하여 물질의 나노미터 해상도 구조뿐만 아니라 원소 구성도 밝혀냈습니다.

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화학적 분석에 따르면 유리의 연대는 기원전 1세기에서 서기 1세기 사이로 거슬러 올라갑니다. 티타늄 함량이 높아 유리를 만드는 데 사용된 모래가 일반적으로 더 많은 불순물을 함유하고 있는 이집트산임을 나타냅니다. 대부분의 작품에 여전히 존재하는 짙은 녹색에 대해 저자는 이것이 철의 존재 때문이라고 지적합니다. 서기 2세기 중반까지 로마 유리는 상대적으로 순수한 모래로 만든 레반트 시리아산 유리(검은색/보라색 색상) 또는 철과 첨가물이 풍부한 불순한 모래로 만든 고마그네슘 유리로 만들어졌습니다. 짙은 녹색을 내기 위해 식물성 재를 첨가합니다. 이는 “눈부신 유리”에 대한 새로운 분석과 일치합니다.

매우 규칙적인 나노미터 두께의 실리카 층이 로마 유리 조각에 미네랄 녹청을 형성합니다.
확대 / 매우 규칙적인 나노미터 두께의 실리카 층이 로마 유리 조각에 미네랄 녹청을 형성합니다.

터프츠대학교 실크랩

SEM 분석 결과 소위 “브래그 스택(Bragg stack)”을 형성하는 정확한 계층적 배열이 밝혀졌습니다. 이는 기본적으로 구조적 색상을 생성하는 고굴절률 재료와 저굴절률 재료의 교번 층이 특징인 1차원 광결정입니다. 이상적인 브래그 스택에서는 레이어의 두께가 동일합니다. 하지만 ‘눈부신 유리’에서는 한 층이 다른 층보다 더 두껍고 밀도가 높아서 멋진 금속 느낌을 주었습니다. 구체적으로, 각 나사 더미는 서로 다른 좁은 파장의 빛을 반사했으며, 수십 개가 함께 쌓이면 껍질에 반사율이 높은 금층이 만들어졌습니다.

이는 유리 조각이 “자연 동물 시스템에서 발견되는 것과 같은 엄격한 물리적 제약을 가하지 않는 실리카의 pH 기반 화학적 변화”를 통해 형성되었다는 증거라고 연구진은 썼습니다. 에 따르면 오미니토에게, 그러한 인공물을 형성하는 데 수세기가 걸리지 않도록 이 과정의 속도를 높이는 방법을 찾아낼 수 있다면 “우리는 광학 재료를 제조하는 대신 광학 재료를 성장시키는 방법을 찾을 수 있을 것입니다.”

“이것은 침식과 재건의 과정일 가능성이 높습니다.” 공동 저자인 Giulia Guidetti는 이렇게 말했습니다., Tufts에서도 마찬가지입니다. “주위의 점토와 비는 유리 속 미네랄의 확산과 실리카의 주기적인 침식을 결정했습니다. 동시에 실리카와 미네랄을 순환적으로 결합한 100나노미터 두께의 층도 수집되었습니다. 그 결과 믿을 수 없을 만큼 질서정연한 배열이 탄생했습니다. 수백 겹의 결정질 물질 표면에서 자라는 결정체 유리 제품은 도시가 발전하면서 토지에 발생한 조건의 변화를 반영하며 환경 역사의 기록이기도 합니다.

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PNAS, 2023. DOI: 10.1073/pnas.2311583120 (디지털 ID 정보)

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