Μπορεί ένα μεμονωμένο αντικείμενο να εμφανίζεται σε δύο διαφορετικά χρώματα;

Το κύπελλο του Λυκούργου είναι ένα αρχαίο ρωμαϊκό ποτήρι που παρουσιάζει διχρωμία λόγω της παρουσίας νανοσωματιδίων.

Δείτε το animation παρακάτω. Δεν είναι περίεργο να το παρακολουθείς; Η μπάλα γίνεται πράσινη όταν αναπηδά στο κουτί, αλλά γίνεται κόκκινη αν περάσει μέσα από αυτό. Πώς γίνεται αυτό? Και γιατί? Είναι δυνατό κάτι τέτοιο στην πραγματική ζωή;

Τι θα γινόταν αν σας έλεγα ότι υπάρχει ένα αντικείμενο παρόμοιο με αυτό; Ωστόσο, δεν θα χρειαστεί να πετάξετε καμία μπάλα, καθώς το προσπίπτον φως είναι αυτό που θα αλλάξει χρώμα. Το αντικείμενο που πρόκειται να εξερευνήσουμε ονομάζεται περίφημα «The Lycurgus Cup».

Το κύπελλο του Λυκούργου

Το κύπελλο του Λυκούργου είναι ένα αρχαίο ρωμαϊκό ποτήρι από γυαλί που χρονολογείται από τον 4ο αιώνα μ.Χ. Το πιο συναρπαστικό με αυτό το κύπελλο είναι ότι παρουσιάζει διχρωμία. Δηλαδή, το κύπελλο φαίνεται πράσινο όταν εκτίθεται στο ανακλώμενο φως και κόκκινο παρουσία μεταδιδόμενου φωτός.

Είναι ένα Diatretum ή ένα κύπελλο κλουβί , που αποτελείται από ένα εσωτερικό ποτήρι και ένα εξωτερικό διακοσμητικό κλουβί που ξεχωρίζει από το σώμα. Το κύπελλο έχει ύψος 15,9 cm και πλάτος περίπου 13 cm.

Το Κύπελλο Λυκούργου στο ανακλώμενο φως &το Κύπελλο Λυκούργου στο μεταδιδόμενο φως (Πιστωτική φωτογραφία :Συλλογή Βρετανικού Μουσείου./Wikimedia commons)

Γιατί αλλάζει χρώμα το Κύπελλο Λυκούργου;

Η διχρωμία του φλιτζανιού οφείλεται στην παρουσία νανοσωματιδίων χρυσού και ασημιού .

Ναί! Σωστά διαβάσατε. Αυτό το κύπελλο είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα του πώς η νανοτεχνολογία ήταν μέρος της ζωής μας από την αρχή και πώς χρησιμοποιήθηκε για την ολοκλήρωση εξαιρετικής δεξιοτεχνίας ακόμη και στις πρώτες μέρες του πολιτισμού.

Αφού αναλύθηκε το κύπελλο χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο ατομικής δύναμης, προσδιορίστηκε η σύνθεση των νανοσωματιδίων που υπάρχουν στο κύπελλο, με το μέγεθός τους να κυμαίνεται έως και 100 nm.

Γιατί ο χρυσός και το ασήμι δεν έχουν χρώμα χρυσό και ασήμι;

Γνωρίζουμε καλά ότι ο χρυσός έχει χρώμα χρυσό και το ασήμι είναι ασημί, αλλά γιατί αυτά τα κύπελλα παρουσιάζουν κόκκινα και πράσινα χρώματα; Αυτά είναι δύο εντελώς διαφορετικά χρώματα από τις αποχρώσεις που παρουσιάζουν συνήθως.

Εδώ έρχεται η ομορφιά των Νανοσωματιδίων.

Καθώς το μέγεθος και το σχήμα των σωματιδίων ενός υλικού μειώνονται, υπάρχουν σημαντικές αλλαγές στις οπτικές τους ιδιότητες. Οι οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες των νανοσωματιδίων εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το μέγεθος, το σχήμα και την κατάσταση συσσωμάτωσης. Το χρώμα που παρουσιάζουν οφείλεται σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται Επιφανειακός Συντονισμός Πλασμονίου. Πριν μεταβούμε απευθείας στο SPR, ας μάθουμε για μερικούς σχετικούς όρους και έννοιες μέσω μιας απλής αναλογίας.

Αναλογία στην τάξη

Ας φανταστούμε ένα σενάριο στην τάξη. Γνωρίζουμε πώς είναι τακτοποιημένα τα τραπέζια και πώς αναγκάζονται οι μαθητές να κάθονται στις αντίστοιχες θέσεις τους, αλλά δεν υπακούουν όλοι οι μαθητές αυτόν τον κανόνα. Μερικοί αγαπούν να περιφέρονται στην τάξη και φαίνεται ότι βρίσκονται πάντα σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο.

Ορισμένοι μαθητές που συμμορφώνονται μπορεί να προσπαθήσουν να επαναφέρουν τους μαθητές περιαγωγής στην αρχική τους θέση, αλλά οι προσπάθειές τους είναι μάταιες. Ένας αυστηρός δάσκαλος μπορεί να τα περιέχει για λίγο, αλλά μόνο ένας δάσκαλος με την ίδια ατμόσφαιρα και ενέργεια όπως είναι θα μπορεί να μεταδώσει πραγματικά τη γνώση με τρόπο που μπορεί να κατανοήσει και να απορροφήσει.

Συγκρίνοντας μια τάξη με το μεταλλικό μοντέλο Drude

ταλάντωση πλάσματος και πλασμόνια

Σύμφωνα με το μοντέλο Drude, τα μέταλλα θεωρούνταν κατασκευασμένα από σταθερά θετικά ιόντα, από τα οποία αποσπάστηκαν αρκετά ελεύθερα ηλεκτρόνια. Εξ ορισμού, αυτό σχηματίζει ένα πλάσμα.

Ας υποθέσουμε ότι έχουμε έναν τέτοιο θετικό πυρήνα και ένα αποσπασμένο ηλεκτρόνιο.

Εάν το ηλεκτρόνιο μετακινηθεί από τη θέση ισορροπίας του, ο θετικός πυρήνας ασκεί ηλεκτροστατική έλξη στο ηλεκτρόνιο, αναγκάζοντάς το να επιστρέψει στην αρχική του θέση. Αυτή η επαναλαμβανόμενη δράση προκαλεί ταλάντωση του ηλεκτρονίου. Γνωρίζουμε ότι κάθε υλικό περιέχει τεράστιο αριθμό ηλεκτρονίων και θετικούς πυρήνες. Ως εκ τούτου, ένα σενάριο μπορεί να θεωρηθεί ως μια θάλασσα ελεύθερων ηλεκτρονίων σε ένα στρώμα θετικών πυρήνων.

Η συλλογική ταλάντωση αυτής της θάλασσας ελεύθερων ηλεκτρονίων μπορεί να αναφέρεται ως ταλάντωση πλάσματος. Ένα κβάντο αυτής της ταλάντωσης ονομάζεται πλασμόνιο. Αυτή η ταλάντωση έχει μια συχνότητα που μπορεί να αναφέρεται ως συχνότητα πλάσματος.

Σε αυτές τις συχνότητες, λαμβάνει χώρα η ενισχυμένη απορρόφηση της ακτινοβολίας ΗΜ.

Συντονισμός επιφανειακού πλασμονίου

Όταν η συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός ταιριάζει με τη συχνότητα του πλάσματος, εμφανίζεται συντονισμός. Αυτό μπορεί να αναφέρεται ως Επιφανειακός Συντονισμός Plasmon.

Κατά τη διάρκεια αυτού του φαινομένου, ορισμένα μήκη κύματος απορροφώνται και μερικά διασκορπίζονται. Τα μήκη κύματος που απορροφώνται από τα πλασμόνια μπορούν να θεωρηθούν ως βουτιά στην καμπύλη απορρόφησης. Το μήκος κύματος όπου συμβαίνει αυτή η απορρόφηση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το μέγεθος, το σχήμα και την κατάσταση συσσωμάτωσης των σωματιδίων.

Διάφορα χρώματα που εκτίθενται από νανοσωματίδια χρυσού διαφορετικού μεγέθους. (Photo Credit :Nikonianman/Creative Commons)

Για νανοσωματίδια χρυσού με μέγεθος ~30 nm, η απορρόφηση λαμβάνει χώρα στο μπλε-πράσινο τμήμα του ορατού φάσματος, αντανακλώντας έτσι το κόκκινο φως. Για τα νανοσωματίδια αργύρου, η απορρόφηση συμβαίνει περίπου στα 400 nm, αντανακλώντας έτσι το πράσινο φως. Δεδομένου ότι το κύπελλο περιέχει νανοσωματίδια ασημιού και χρυσού, είμαστε σε θέση να γίνουμε μάρτυρες της διχρωμίας του κυπέλλου. Ο διχρωμισμός αναφέρεται επίσης ως «Το φαινόμενο του Λυκούργου».

Η ιστορία που απεικονίζεται στο κύπελλο

Ένα άλλο σαγηνευτικό χαρακτηριστικό του Λυκούργου Κυπέλλου είναι η εξωτερική του διακόσμηση. Είναι περίτεχνα σκαλισμένο και απεικονίζει την ιστορία του βασιλιά Λυκούργου που τιμωρήθηκε για το έγκλημά του εναντίον του Διόνυσου.

Ο Λυκούργος, ο βασιλιάς της Θράκης, είχε αρχίσει να επιτίθεται σε αθώους ανθρώπους. Όταν άκουσε ότι ο Διόνυσος, ο Θεός του κρασιού και της έκστασης, διέσχιζε τη χώρα του, προσπάθησε να τον αιχμαλωτίσει. Ο Διόνυσος δραπέτευσε, οπότε ο Λυκούργος αιχμαλωτίζει τις νύμφες του. Μια τέτοια Νύμφη ονομαζόταν Αμβροσία.

Η αιχμαλωτισμένη Αμβροσία παρακαλεί τη μητέρα γη για βοήθεια. Επιστρέφει καθώς το αμπέλι και μπλέκει τον Λυκούργο, κάνοντας τον στόχο για τις άλλες νύμφες να τον τιμωρήσουν. Ο Δίας επεμβαίνει και σώζει τον Λυκούργο, αλλά ως τιμωρία για τις ανελέητες πράξεις του, ο Δίας μετατρέπει τον Λυκούργο σε τυφλό περιπλανώμενο.

Το κύπελλο δείχνει τον Λυκούργο να είναι μπλεγμένος σε ένα κλήμα με την Αμβροσία να παρακαλεί στο πλευρό τους.

Συμπέρασμα

Το Lycurgus Cup όχι μόνο προσελκύει αισθητικά τον κόσμο προς το μέρος του εδώ και αιώνες, αλλά έχει εμπνεύσει και νέες τεχνολογίες. Μια τέτοια τεχνολογική ανακάλυψη είναι το νανο LCA. Είναι ένας πλασμονικός αισθητήρας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση βιομορίων.

Αν και η πρώιμη ιστορία του κυπέλλου είναι άγνωστη, αποκτήθηκε από την οικογένεια Rothschild, η οποία αργότερα το πούλησε στο Βρετανικό Μουσείο. Το κύπελλο τώρα στεγάζεται στο Βρετανικό Μουσείο στο Λονδίνο.