《科学画报》
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古罗马酒杯变色之谜
2014-06-22 16:11:34文/佟伟平 宫梦莹
艺术与科学结合时，往往能产生超凡的效果。两千多年前，古希腊帕特农神殿的建筑师已经知道，把神殿柱子的中段建造得比顶部或底部粗，就能产生特殊的视觉效果，让人觉得这些柱子是笔直的。文艺复兴初期，画家发现在二维表面，比如一面墙或一幅帆布上，利用精准的数学计算创造直线透视，就能绘制出三维画面。公元4世纪，古罗马的玻璃匠人发明了一种制作玻璃杯的精巧工艺，使酒杯在不同光照下呈现不同颜色。大约1700年后，艺术与科学再一次交汇：这古老的酒杯激发了研究人员的创意，催生了一种令人瞩目的微型传感器，帮助我们观察用肉眼看不见的事物。
1700年前的纳米技术
1958年，大英博物馆从罗斯柴尔德勋爵那里得到一尊高约16厘米的古罗马玻璃杯。杯身雕刻着恢宏精美的装饰图案，展现了古希腊神话中酒神惩罚其反对者来库古的场景。透雕花纹与光滑的杯体相分离，像一只笼子套在杯子外面，因此这种杯子被形象地称作“笼杯”。现存的笼杯不超过100件，而来库古杯无疑是其中的精品。“这是古代留存下来的最为壮丽的笼杯。”牛津大学艺术史学家加斯·埃尔斯纳说道。
来库古杯的独特之处不仅在于杯子上的纹饰，更令人称奇的是，它在不同的光照下会呈现不同的颜色——在反射光或环境光中，杯子呈现绿色；在透射光下，即光源直接照射时，杯子呈现红色。
早在20世纪50年代，有学者就猜测来库古杯颜色发生变化是由于玻璃里含有金属粒子。1990年，英国伦敦大学的考古学家伊恩·弗雷斯通偶然在大英博物馆实验室的一个保险箱里，发现了几块散落的来库古杯的玻璃碎片。弗雷斯通将一小块碎片送到埃塞克斯大学，物理学家大卫·巴伯运用透射电镜进行检测发现，这些玻璃中含有微量的金银合金颗粒，直径仅为50～100纳米，大约相当于人类头发直径的千分之一。正是这些纳米颗粒造就了来库古杯变色的效果。
最初，弗雷斯通认为来库古杯中存在贵金属粒子是一个意外，杯子会变色可能是玻璃加工时掺入了废料或熔渣的结果，因为玻璃中也含有其他金属，如铅、铜、锑等。但是，相关研究让他的看法发生了改变。除了来库古杯，学者们还发现了一些古罗马红绿双色玻璃制品，包括几个笼杯，尽管数量极其稀少而且大多残缺不全。还有一些制作失误的棕色玻璃制品幸存了下来，出现这种颜色的原因是金银比例不平衡，或是纳米颗粒的尺寸错误。
弗雷斯通推测，古罗马当时一些玻璃作坊可能已经掌握了生产双色玻璃的技术，来库古杯就是其中的代表作。他指出，制作不透明的绿玻璃是相对基础的工作，难点在于使玻璃透射出半透明的红色，这需要准确控制玻璃里的金属颗粒。由于该技术极具挑战性，公元4世纪之后它在欧洲近乎失传，直到17世纪末才被人重新掌握。
“来库古杯是我最喜爱的古代工艺品。”弗雷斯通说，“当你沉浸于对它的研究中，你会意识到，它不仅使用了当时最高水平的玻璃制作技术，还包含了精美的雕刻工艺。这些元素以艺术的视角被整合到一起，体现了原料和技术的完美融合。我认为这是最好的工艺。”
10亿只微型酒杯
古罗马人可能是最早的纳米技术专家，这确实不可思议。大约20年前，研究人员开始探讨来库古杯的变色特性能否应用在现代。美国伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的生物工程师刘刚（音译）试图采用和古罗马玻璃匠人相同的技术，制造用于生化检测的传感器。
科学家会利用颜色来显示某种物质的存在。例如，研究人员给DNA或蛋白质染上颜色使其看起来更突出，从而在显微或亚显微层面上来观察样品中物质的数量。刘刚和他的团队相信，将纳米金粒子加入塑料中，能够模拟来库古杯效应，创造同样的颜色变化。
与以前的研究者只关注来库古杯本身的材料特性不同，刘刚怀疑是杯子的外形使其具有特别的变色效果。该团队以来库古杯作为模型，开发了一个1平方厘米大小的传感器。这个传感器由10亿个微型容器组成，每个容器的形状都和来库古杯相同，彼此的间隔只有100纳米。
“我们从来库古杯的几何结构中学到了很多。”刘刚解释说，“我们把它缩小到原来的一千万分之一。当我们在传感器上倒入水、油、盐水、糖水等液体，然后用光线照射传感器，我们可以看到类似于来库古杯的光学特性。”他补充道：“如果仅用一块平板玻璃，即便含有纳米金粒子，也看不到明显的颜色变化。这一发现让人很兴奋。”
我们无法明确地知道来库古杯当初的使用方法和场合，但它很可能是用于宴会或酒会。根据埃尔斯纳的说法，杯子上的酒神图案很好地支持了这种解释。刘刚怀疑，如果在来库古杯里面倒入酒，杯子的颜色变化会更加明显。“实际上，我或其他人都不可能往这件珍贵的古董杯里倒任何东西。”刘刚笑着说，“但是，当我们用酒精在传感器上测试时，传感器的颜色变化极为显著。我认为古罗马人知道这一点，并将这一知识融入杯子的外观设计和玻璃制造中。”
10美元的检测仪
多年来，刘刚一直在研究如何利用纳米技术进行疾病检测，这种新型的微型传感器所展现的前景让他激动不已。目前商业化生产的生化传感器非常昂贵且制造困难，同时需要专业的设备读取结果。但刘刚的传感器制造简便且造价低廉，成本约为10美元。而且，其检测结果通过显而易见的颜色变化表现出来，可以使用光源进行观察，并可以用任意一部数码相机甚至手机来记录结果。这使得任何人都可以方便地使用这项技术。
“比方说，你患有糖尿病，想要检测自己的血糖水平。你只需要将一小滴血放在传感器上并用灯光照射，通过颜色的变化就能判断血糖含量的高低。”刘刚解释说，“如果你想寻找一种特殊的抗体，可以在传感器上涂上唾液或其他液体，通过观察颜色的变化即可确定样本中是否含有这种抗体。如果抗体存在，传感器就变为红色；如果不存在，它依旧保持绿色。”这种传感器在探测化学物质方面也具有潜力，可以用来判定化学武器或爆炸物等危险品。
爱因斯坦在《我的世界观》一书中写道:“我们所能享有的最美妙的体验就是神秘感，这是真正的科学与艺术的根源中最基础的情感。无论是谁，如果没有感受过它的魅力，如果不再感到好奇，不再发出惊叹，他就无异于行尸走肉，他的眼睛就无法看清世界。”尽管来库古杯的一些奥秘已得以破解，但是它所体现的艺术与科学的非凡结合依然在激励着人们继续前行。
（本文作者佟伟平为东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室教授、博士生导师；宫梦莹为东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室博士研究生。）
——选自《科学画报》2014年第六期
