Изготовленная в 4 веке диатрета сама по себе является красивым произведением искусства в виде стеклянной чащи с трехмерным узором с изображением спартанского короля Ликурга. По оценкам ученых, ее создали около 4 века нашей эры в Александрии. Особенность кубка заключается в изменении цвета с зеленого на красный, и наоборот, в зависимости от угла, под которым на него падает свет.

Необычный дихроичный эффект объясняется вкраплениями частиц серебра и коллоидного золота размером примерно 70 нанометров каждая. Чтобы добиться таких цветовых изменений, создателям, вероятно, пришлось применить точнейшие нанотехнологии. По одной из версий, эффект появился из-за случайного выбранного соотношения золота, серебра и стекла. Но, как бы там ни было, технологии Древней Греции остаются загадкой.

В Британском музее хранится очень красивый древний экспонат – римский Кубок Ликурга. Но знаменит он в большей степени своими необычными оптическими свойствами. При обычном освещении кубок кажется желтовато-зелёным, а в проходящем свете приобретает глубокий винно-красный оттенок. Лишь в 1990 году ученым удалось раскрыть секрет этих его уникальных свойств, но как такого эффекта смогли добиться в древние времена? Ведь это самые настоящие нанотехнологии…

Кубок представляет собой так называемую диатрету – колокол с двойными стенками из стекла, покрытый фигурным узором. Высота его – 16.5, а диаметр – 13.2 сантиметра.

Самые ранние из найденных диатрет относятся к I в. н. э., а своего расцвета их производство достигло в III и IV вв. Диатреты в ту эпоху считались весьма дорогими предметами и были доступны лишь богачам. К настоящему времени их найдено около 50 штук, и в основном лишь в виде осколков. Кубок Ликурга – единственная диатрета, так хорошо сохранившаяся.

Предположительно, этот удивительно красивый кубок изготовили в IV веке в Александрии или Риме. Но датировать изделия, выполненные из неорганических материалов, очень сложно, и он вполне может оказаться намного более древним, чем предполагают на данный момент. Место его изготовления также обозначено весьма предположительно, при этом исходили из того, что именно здесь в античные времена процветало стеклодувное ремесло.

Специалисты не пришли к единому мнению относительно назначения этого кубка. Исходя из его формы, многие считают его сосудом для питья. А учитывая тот факт, что цвет кубка меняется также и в зависимости от налитой в него жидкости, можно предположить, что его использовали для определения качества вина, или выяснения – не подсыпан ли в напитки яд.

Есть и другая версия относительно использования диатрет. Cвоеобразная кромка на некоторых сохранившихся экземплярах, а также бронзовое кольцо на одном из них, свидетельствуют в пользу того, что их могли использовать в качестве светильников. Неизвестным является также, каким образом этот кубок оказался среди сокровищ римско-католической церкви, кто его нашел, где и когда. В 18 веке он попал в руки французских революционеров, которые впоследствии, очень нуждаясь в деньгах, его продали. Кто-то, видимо, для сохранности, приделал к нему основание и ободок из позолоченной бронзы.

В 1845 году артефакт выкупил для своей коллекции банкир Лионель де Ротшильд, а спустя 12 лет он попался на глаза искусствоведу из Германии Густаву Ваагену. Пораженный красотой и необычными свойствами кубка, Вааген стал уговаривать банкира показать это сокровище широкой публике. Наконец тот согласился, и в 1862 году кубок в качестве экспоната на некоторое время выставили в Музее Виктории и Альберта в Лондоне.

После этого кубок опять почти целое столетие находился в частной коллекции. Но исследователи про него не забывали. В 1950 году владелец кубка Виктор Ротшильд, один из потомков банкира, разрешил группе ученых на некоторое время взять его для исследования. Тогда-то и выяснилось, что кубок вовсе не металлический, как полагали до этого, а сделан из стекла, но не обычного, а содержащего слои примесей металлических окисей (дихроического стекла). В 1958 году, уступив многочисленным просьбам, Ротшильд все же сделал доброе дело и продал кубок Британскому музею.

Сюжет горельефа на поверхности чаши напоминает один из известных мифов античного мира о царе Ликурге. Будучи ярым противником возлияний и вакхических и оргий, устраиваемых богом виноделия Дионисом в обществе спутниц-менад, Ликург однажды, не вытерпев, избил их и прогнал со своей территории.

Оскорбленный Дионис решил отомстить царю за это и подослал к нему одну из своих самых знойных красавиц, нимфу Амвросию, которая обворожила и напоила Ликурга. Опьяневший царь впал в безумство, кинулся вырубать виноградник и в исступлении зарубил свою мать и сына.

Тогда Дионис с сатирами опутали царя, превратившись в виноградные стебли. Пытаясь от них освободиться, Ликург вместо лозы отрубил случайно себе ногу и вскоре умер от потери крови.

После того, как кубок передали в музей, у ученых появилось больше возможностей для его изучения. Но, тем не менее, долгое время им не удавалось раскрыть секрет его необычных оптических свойств. Лишь в 1990 году, используя электронный микроскоп, они, наконец, догадались, что все дело в особом составе стекла, из которого он сделан. На миллион частиц этого стекла приходилось триста тридцать частиц серебра и сорок – золота. Причем содержащиеся в стекле серебро и золото имели размеры наночастиц. Только в этом случае стекло обладает способностью менять цвет, которая и наблюдается.

Конечно, сразу возникает вопрос – как древние античные мастера смогли выполнить работу в буквальном смысле на молекулярном уровне, требующую как сложнейшего оборудования, так и высочайшего уровня технологий?

А может быть, кубок Ликурга сделали вовсе не они? И, будучи гораздо более древним, он представляет собой след какой-то неизвестной и канувшей в вечность высокоразвитой цивилизации, предшествовавшей нашей.

Физик Лю Ганн Логан из Университета штата Иллинойс, работающий в сфере нанотехнологий, предположил, что свет или жидкость, попадающие в кубок, вступают во взаимодействие с электронами наночастиц, содержащихся в стекле. Те, в свою очередь, начинают вибрировать с той или иной скоростью, а эта скорость уже и определяет, какой цвет будет у стекла.

Конечно, для проверки этой гипотезы ученые не могли использовать сам кубок, наполняя его различными жидкостями. Для этих целей им пришлось изготовить специальную пластину с аналогичным составом золотых и серебряных наночастиц. И, действительно, оказалось, что в различных жидкостях пластина имела и разный цвет. Так в воде она приобретала светло-зеленый цвет, а в масле – красный. Только вот достичь уровня древних мастеров, изготовивших кубок, ученым не удалось – чувствительность пластины оказалась в сто раз ниже, чем у кубка.

Но, тем не менее, ученые предполагают в дальнейшем с использованием изученных свойств стекла с наночастицами, создавать различные датчики. Так что работа, начатая древними мастерами в этом направлении, продолжается.

Точной информации о трактовке данного сюжета нет. Ряд исследователей считает, что тема горельефа может символизировать победу, которую в 324 году римский император Константин одержал над Лицинием. Также есть мнение, что переход зеленого цвета в красный символизирует созревание винограда, и изображение виноградной лозы и Диониса – римского бога вина – это подтверждает.

Ранняя история кубка неизвестна, первое упоминание о нем относится к 1845 году, и вскоре после этого ее приобрел барон Лионель Натан де Ротшильд. В то время казалось невероятным, что предмет с такими свойствами может состоять из стекла, однако только в 1950 году Ротшильды отдали кубок на исследование. Результаты этой работы были опубликованы уже после того, как в 1958 году у Виктора Ротшильда кубок выкупил Британский музей. Оказалось, что кубок действительно состоит из стекла, а не из опала и нефрита, как считалось ранее. А ножка с виноградными листьями и верхний обвод из позолоченного серебра оказались почти новыми – они изготовлены в XVIII–XIX вв. Однако сотрудники музея не стали их убирать из-за трещины на стекле, опасаясь за его целостность.

Химический анализ показал, что стекло кубка относится к содово-известковому типу, обычному для большинства римских изделий, да и для современных окон и бутылок. Что же придает ему такие интересные свойства? Ученые довольно долго бились над этим вопросом. Сперва определили, что в стекле кубка содержится 0,5% марганца и следовые количества серебра и золота. Однако простое присутствие этих элементов не дало бы дихроичного эффекта. Но его могли бы дать, например, коллоиды, то есть равномерно распределенные наночастицы металлов. Как раз такие коллоидные системы, помимо преломления и отражения, обладают свойствам рассеивания светового луча, за счет чего в проходящем свете и возникает другая окраска.

И действительно, в конце 1980-х при помощи трансмиссионной электронной микроскопии в стекле нашли частицы металла диаметром 50–100 нм. С помощью рентгеновского анализа было установлено, что эти наночастицы представляют собой сплав серебра, золота и меди в пропорции приблизительно 7:3:1. Всего в стекле кубка примерно 0,3% серебра и 0,04% золота, но значительная часть серебра осталась растворенной в силикатной основе стекла. Определенную роль в коллоидном восстановлении металлов из раствора могла сыграть сурьма, которую римляне добавляли при изготовлении стекла как окислитель и осветлитель.

Сохранились и другие находки римских стеклянных изделий – «хамелеонов», но они смотрятся не так эффектно, как знаменитый кубок.

Еще до нашей эры мастера создавали технику и предметы искусства, поражающие воображение современных ученых. Загадка 1600-летнего древнеримского кубка из Британского музея – это ключ к разработке новой сверхчувствительной технологии, при помощи которой можно будет диагностировать заболевания человека и выявлять биологическую опасность при проверке багажа на контрольно-пропускных пунктах аэропортов.

Так как музейный экспонат украшен сценами с участием царя Фракии Ликурга, он получил название Кубок Ликурга. Если освещать нефритовый кубок с лицевой части, он имеет зеленый цвет, если сзади – кроваво-красный. Тайну цвета музейного экспоната ученые пытались разгадать с 1950 года, когда музей приобрел реликвию. Разгадка была найдена спустя тридцать лет, после тщательного исследования частиц кубка под микроскопом.

Английские исследователи обнаружили, что древнеримские ремесленники использовали технологию пропитки материала кубка микрочастицами золота и серебра размером всего в 50 нанометров в диаметре (это меньше одной тысячной части крупинки соли), что делает их пионерами в области нанотехнологий. «Это удивительно развитая технология для того времени», – комментирует открытие археолог Университетского колледжа Лондона Ян Фристоун. Настолько тонкая работа позволяет утверждать, что древние римляне очень хорошо ее освоили.

Принцип действия технологии следующий: на свету электроны драгоценных металлов начинают вибрировать, меняя цвет кубка в зависимости от расположения источника освещения. Инженер, специалист в области нанотехнологий Университета штата Иллинойс Лю Ган Логан и его команда исследователей обратили внимание на огромный потенциал этого метода в сфере медицины – для диагностики заболеваний человека.

Руководитель группы отмечает: «Древние римляне знали, как использовать наночастицы в произведениях искусства. Мы хотим найти этой технологии практическое применение».

Исследователи предположили, что при наполнении кубка жидкостями его цвет, благодаря различной вибрации электронов, будет меняться (в современных домашних тестах на беременность также используются отдельные наночастицы, которые меняют цвет контрольной полоски).

Естественно, ученые не могли экспериментировать с ценным артефактом, поэтому они использовали пластиковую пластину размером примерно с почтовую марку, на которую через миллиарды крошечных пор нанесли наночастицы золота и серебра. Таким образом, у них получилась миниатюрная копия Кубка Ликурга.

Исследователи наносили на пластину различные вещества: воду, нефть, растворы сахара и соли. Как выяснилось, при попадании данных веществ в поры пластины ее цвет менялся. Например, светло-зеленый цвет получался при попадании в ее поры воды, красный – при попадании нефти.

Прототип оказался в 100 раз более чувствительным к изменению уровня соли в растворе, чем распространенный сегодня коммерческий датчик, созданный для аналогичных тестов. Хочется верить, что в скором времени ученые создадут на базе заново открытых технологий портативные устройства, способные обнаружить патогены в образцах слюны или мочи человека, а также предотвратить возможную перевозку террористами опасных жидкостей на самолетах.

Люди научились изготавливать и обрабатывать стекло более 5 тыс. лет назад, но до сих пор оно удивляет разнообразием и возможностями своих свойств. По публикациям в прессе складывается впечатление, что мир будущего построят на графене, антиматерии, вибраниуме и на других неведомых веществах. Нечего сказать о стекле? Как бы не так.

Стекло изготавливается из расплавленного песка. Обычный песок – это кристаллы SiO2 (кремний и кислород). Структура каждой крупинки состоит из ровных колец, обладающих ближним и дальним порядком. Ближний порядок – это когда расстояние между атомами у кремния и кислорода одинаковое, дальний порядок – когда атомы и молекулы имеют одинаковое взаимное расположение в любой точке вещества. Получается так называемая трансляционная симметрия.

В стекле есть только ближний порядок. При нагревании кристалл превращается в жидкость – в расплав. При охлаждении этого расплава мы получим стекло – некую структуру с неоднородным строением. Одной из особенностей стекла является наличие так называемого интервала стеклования: мы можем нагревать его в определенном интервале и менять его свойства.

Стекло может состоять не только из кремния и кислорода. Многие элементы (натрий, барий, серебро, иттрий, олово, кальций и т.д.) являются модификаторами стекла, придающими ему разнообразные уникальные свойства.

Одним из самых известных примеров стекла с модификатором является Кубок Ликурга – стеклянный сосуд, изготовленный в IV в. н.э. Цвет кубка меняется в зависимости от освещения. Так, в отраженном свете он зеленый, а на просвет – красный. Раньше эту особенность воспринимали как магию, но все дело в химическом составе стекла: гибридные наночастицы серебра и золота придают стеклу такое оптическое свойство.

Процесс изготовления стекла похож на варку супа. Сначала берутся ингредиенты – разные кристаллические материалы: сода, песок, какие-то дополнительные оксиды. Все это смешивается и помещается в специальную емкость – тигельные печи или огромные стекловаренные печи. В них засыпается смесь веществ и нагревается до температуры 1500-1700 град.C.

Помните про интервал стеклования? Это температурный интервал, в пределах которого мы можем что-то делать со стеклом, придать ему какую-то форму. Можно создать бутылки, оконные стекла и даже стекла, которые лечат рак – микрошарики, в состав которых входит радиоактивный иттрий. Врач вводит порцию микрошариков в пораженный орган, где они равномерно распределяются благодаря системе кровообращения и с помощью радиации разрушают раковые клетки. В то же время микроисточники радиации закупоривают сосуды (так называемая эмболизация – лечебное закупоривание) и не дают питать раковые клетки.

Наполнить микрошарики можно не только иттрием – любое необходимое лекарство помещается в гранулы и вводится непосредственно в пораженный орган или наносится на поверхность кожи. Постепенно выделяя препарат, они обеспечивают его длительное действие. Количество микрогранул настолько мало, что они никоим образом не оказывают негативного влияния на жизнь и работоспособность пораженного органа.

Есть вид стекла, который очень любят девушки – Swarowski. Производитель пишет, что это кристаллы, однако на самом деле это стекло с высоким содержанием свинца (30%), что не очень полезно. Но именно благодаря свинцу стекло так красиво блестит.

Есть стекла, из которых могут расти кости. На 3D-принтере из специальных биоактивных стекол печатают структуры Scaffold. Они внедряются непосредственно в поврежденную часть кости и на них нарастают остеобласты и другие клетки. В результате получается новая кость, а сам Scaffold растворяется, так как является биоразлагаемым стеклом. В процессе растворения материал высвобождает кальций и другие вещества, стимулирующие рост костей.

Есть стекла, в которых делают ДНК – это специальные нанопористые стекла, в которые можно высаживать разные олигонуклеотиды.

Если бы не было стекла, у нас не было бы интернета. Чтобы передавать трафик по медным проводам нам понадобилось бы несметное количество тонн меди, и все равно ничего не получилось бы из-за возникающего электрического сопротивления. К счастью, есть оптоволокно, на котором построены все мало-мальски серьезные сети передачи данных.

Но как сохранять обилие информации, которое мы постоянно генерируем? Сегодня данные хранятся на весьма тривиальных средствах – на HDD-дисках, флешках, CD, DVD, ленточных накопителях, и у всех этих носителей имеются ограничения.

На самом деле это большая проблема, ведь бумажные носители несовершенны, а электронные и магнитные довольно быстро деградируют, морально устаревают, а благодаря высокой концентрации информации гибель даже одного диска приводит к утрате большого объема данных. Кроме того, всевозможным библиотекам, архивам и фондам приходится тратить немало электроэнергии (и средств) на поддержание работы своих цифровых архивов.

Контента создается все больше, и предполагается, что к 2020 г. человечество накопит 35 зеттабайт данных. А какое количество контента мы даже не успеваем сохранять?

Стекло способно решить все эти проблемы. Оно может долго храниться – найдены стекла возрастом несколько тысяч лет. А кварцевое стекло будет храниться почти вечно (более 300 млн лет, если быть точным), оно не особо подвержено высоким температурам (выдерживает до 1000-1100 град.C). Несколько лет назад ученым из университета Саутгемптона удалось успешно записать и считать информацию в кварцевом стекле.

В общем, если мы будем записывать информацию в стекло, то она хорошо сохранится. Это можно делать по аналогии с CD-диском, когда на плоскости размещаются дорожки из питов: 1, 0, 1, 0. Есть точка на поверхности – это 1, нет точки – 0. Если делать это не на плоскости, а в трехмерном пространстве, то объемы хранения данных будут гораздо больше. К примеру, диски Blue-Ray состоят из трех и более слоев. Но если взять стекло как прозрачный носитель, то можно сделать намного больше.

Компания Hitachi с 2009 г. разрабатывает технологию создания в объеме стекла 50 двусторонних слоев, то есть получается 100 слоев хранения данных. Специальный фемтосекундный лазер позволяет очень быстро менять фокусировку на разных слоях. Технология на сегодняшний день дает общую емкость 1,5 Гб на 1 квадратный дюйм.

Оказалось, что если применять лазерное излучение повышенной мощности, то внутри точек-питов, создаваемых в стекле лазером, формируются нанорешетки. Это структуры, обладающие эффектом двулучепреломления. Что это значит: если луч будет проходить через эту нанорешетку, он будет менять свою поляризацию, и мы сможем количественно определить, что с ним случилось. Тогда мы можем к каждой точке добавлять дополнительный параметр.

То есть сама по себе точка в стекле – это один бит. А с помощью дополнительных физических параметров в одну точку можно записывать 2, 3, 4, а то и 5 бит. Таким образом, обычный стеклянный диск сможет тысячи лет хранить до 200 терабайт информации. Можно с уверенностью сказать, что через 20-25 лет колоссальные объемы информации будут храниться в стекле.