Glass formation and selective crystallization link Chinese purple octagonal prisms with lead barium glass
Questo studio rivela che i prismi ottagonali viola cinesi e il vetro piombo-bario originano da un sistema di reazione ad alta temperatura condiviso, in cui la formazione di liquidi locali, la ridistribuzione dei componenti e la cristallizzazione selettiva governano la coesistenza di silicati di rame e bario e vetro di piombo e bario all'interno di un singolo manufatto.
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Per secoli, gli antichi artigiani cinesi hanno padroneggiato l'arte di creare materiali che sembrassero giada ma che fossero fatti a mano dall'uomo. Tra le loro invenzioni più sorprendenti c'erano prismi ottagonali di un viola intenso e un tipo di vetro che brillava con una base di piombo e bario. Per molto tempo, gli scienziati hanno trattato queste due creazioni come tecnologie separate. Una era vista come un pigmento o un cristallo solido, mentre l'altra era vista come una sostanza vetrosa fusa. Condividevano ingredienti simili — piombo, bario, silicio e rame — ma poiché gli oggetti finali apparivano e agivano in modo così diverso, i ricercatori ipotizzarono che fossero stati realizzati attraverso percorsi completamente differenti. La domanda che è rimasta sospesa è se questi due materiali siano in realtà cugini lontani o se siano, in effetti, fratelli nati dallo stesso fuoco, semplicemente raffreddati in modi diversi.
Un nuovo studio su un singolo prisma viola trovato in una tomba a Xianyang, in Cina, ha finalmente risposto a questa domanda guardando all'interno dell'oggetto stesso. I ricercatori hanno prelevato una sezione da un prisma risalente ai periodi degli Stati Combattenti, Qin e Han, circa 2.000 anni fa, ed lo hanno esaminato dal centro verso il bordo esterno. Non si sono limitati a guardare la superficie; hanno mappato la composizione chimica e la struttura microscopica di ogni strato. Ciò che hanno scoperto è che il cristallo viola e il materiale vetroso non sono cose separate che sono state mescolate insieme. Invece, si sono formati simultaneamente all'interno dello stesso materiale caldo. Lo studio dimostra che gli antichi produttori lavoravano con una miscela singola e complessa che poteva trasformarsi in vetro in alcuni punti e in cristalli viola in altri, a seconda di come il calore si muoveva e di come gli ingredienti si assestavano.
L'oggetto che hanno studiato, un prisma ottagonale viola solido largo circa quanto un dito, proveniva da una tomba dove erano sepolti molti oggetti simili. Mentre altri oggetti dello stesso sito includevano perle di vetro, questo prisma era unico perché aveva una forma solida e non perforata. I ricercatori hanno notato che il prisma non era uniforme. Il centro era scuro e denso, mentre i bordi erano più chiari e più frammentati. Per capire il perché, hanno utilizzato microscopi potenti e scanner chimici per tracciare il viaggio degli elementi durante il raffreddamento dell'oggetto. Hanno scoperto che il colore viola deriva da un cristallo specifico chiamato silicato di rame e bario, ma questo cristallo non esiste da solo. È immerso in una matrice di vetro di piombo e bario, e i due sono intimamente legati.
Mentre i ricercatori si spostavano dal centro del prisma verso il bordo, hanno visto un chiaro cambiamento nella struttura del materiale. Nel centro scuro, la parte vetrosa era forte e continua, tenendo insieme i cristalli. Spostandosi verso l'esterno, il vetro iniziava a rompersi e i cristalli viola diventavano più sparsi e irregolari. Il bordo del prisma era la parte più danneggiata, pieno di piccole crepe e pori, e mostrava segni del fatto che il vetro avesse iniziato a dissolversi e a cambiare nel corso dei secoli mentre era sepolto nella terra. Questo gradiente ha provato che l'intero oggetto si era formato in un unico processo continuo. Gli ingredienti non sono partiti come una pila di vetro e una pila di cristalli; sono partiti come una miscela calda e fusa che ha reagito in modi diversi in luoghi diversi.
La chiave per comprendere questo aspetto risiede nel modo in cui i materiali antichi si comportavano quando venivano riscaldati. Lo studio suggerisce che quando la miscela di piombo, bario, silicio e rame veniva riscaldata, non si scioglieva in un liquido singolo e uniforme. Inveve, formava un sistema complesso dove alcune parti diventavano liquide e altre rimanevano solide o si trasformavano in cristalli. Nel centro del prisma, le condizioni favorivano la formazione di una rete vetrosa che intrappolava i cristalli. In altre aree, i cristalli crescevano più grandi e distinti. I ricercatori hanno scoperto che la quantità di rame e piombo cambiava leggermente dal centro al bordo, ma il cambiamento più drammatico era nella stato chimico di questi metalli. Il rame, che conferisce all'oggetto il colore viola, cambiava la sua struttura interna spostandosi verso la superficie, diventando meno efficace nel trattenere il colore. Allo stesso modo, il piombo cambiava la sua forma chimica, probabilmente reagendo con l'aria e l'umidità del suolo nel corso di migliaia di anni.
Questa scoperta cambia il modo in cui vediamo la tecnologia dell'epoca. Dimostra che gli antichi ceramisti e i maestri del vetro non stavano solo producendo vetro o solo pigmenti; stavano padroneggiando un sistema di reazione ad alta temperatura che poteva produrre entrambi contemporaneamente. La differenza tra un prisma viola e un pezzo di vetro non era una differenza nella ricetta, ma una differenza nel modo in cui il calore veniva applicato e in come il materiale si raffreddava. Se la miscela si raffreddava rapidamente o aveva un certo equilibrio di ingredienti, poteva rimanere principalmente vetro. Se si raffreddava lentamente o aveva un diverso equilibrio, cristallizzava in un solido viola. Il fatto che entrambi possano essere trovati all'interno di un singolo oggetto prova che sono due facce della stessa medaglia.
Lo studio rivela anche cosa sia accaduto all'oggetto dopo la sua sepoltura. Il bordo esterno del prisma racconta una storia di lenta decomposizione. La rete vetrosa ha iniziato a rompersi, permettendo agli elementi di muoversi. Il piombo, che originariamente faceva parte della struttura del vetro, è migrato verso la superficie e ha formato nuovi minerali secondari. Anche il rame ha cambiato il suo stato chimico, perdendo parte della sua capacità di creare la profonda tonalità viola, il che spiega perché i bordi del prisma siano più chiari rispetto al centro. Questo processo di degradazione non è solo una macchia superficiale; è una profonda trasformazione chimica che ha alterato la natura stessa del materiale dall'esterno verso l'interno.
Guardando la sezione trasversale completa di questo singolo reperto, i ricercatori hanno collegato due campi di studio precedentemente separati. Hanno dimostrato che il vetro di piombo e bario e i silicati di rame e bario fanno parte di una famiglia condivisa di materiali. Gli antichi cinesi non avevano bisogno di due tecnologie diverse per creare questi oggetti; avevano bisogno di una comprensione sofisticata di come il calore e la chimica interagiscono. Il prisma viola non è solo un bell'oggetto; è un record congelato di una reazione ad alta temperatura, che cattura il momento in cui il liquido si è trasformato in vetro e cristallo contemporaneamente. Questa intuizione ci aiuta a comprendere la maestria degli antichi artigiani, che potevano controllare queste complesse reazioni per creare materiali che sono sopravvissuti per due millenni, anche mentre cambiano lentamente nell'oscurità della tomba.
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