Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han desarrollado un enfoque innovador para probar rápidamente los metamateriales utilizando pulsos láser ultra rápidos. Esta técnica, conocida como espectroscopía acústica resonante inducida por láser (LIRAS), se espera que acelere la incorporación de los metamateriales en aplicaciones del mundo real.
¿Qué son los Metamateriales?
Los metamateriales son productos hechos de materiales cotidianos como polímeros, cerámicas y metales. Cuando se combinan en proporciones adecuadas y se construyen con precisión a microescalas, estos materiales pueden adquirir propiedades extraordinarias.
Aquí te presento algunos ejemplos notables de metamateriales y sus propiedades únicas:
- Metamateriales de Índice Negativo: Estos metamateriales tienen un índice de refracción negativo, lo que significa que pueden doblar y refractar la luz de manera opuesta a los materiales convencionales. Esta propiedad permite aplicaciones potenciales en la creación de lentes súper resolutivas, conocidas como lentes perfectas, que podrían teóricamente enfocar la luz más finamente que los límites impuestos por la física convencional.
- Metamateriales Acústicos: Diseñados para manipular, dirigir y controlar las ondas sonoras, estos metamateriales pueden ser usados para crear «capas de invisibilidad acústica», que hacen que los objetos sean indetectables para ciertas frecuencias sonoras. También se utilizan en aplicaciones de aislamiento de sonido y en la mejora de la acústica de salas.
- Capas de Invisibilidad: Estos materiales pueden teóricamente desviar la luz alrededor de un objeto, haciendo que parezca invisible. Funcionan al alterar la trayectoria de la luz (u otras formas de radiación electromagnética) de tal manera que fluya alrededor de un objeto en lugar de chocar con él.
- Metamateriales Seismicos: Diseñados para proteger estructuras contra terremotos, estos metamateriales pueden redirigir las ondas sísmicas alrededor de edificios o infraestructuras críticas, reduciendo así el impacto y el daño causado por los terremotos.
- Metamateriales con Superconductividad Mejorada: Algunos metamateriales están diseñados para mejorar las propiedades de superconductividad, lo que podría ser crucial para el desarrollo de tecnologías de energía y magnetismo de alta eficiencia, como trenes de levitación magnética o cables de transmisión de energía sin pérdidas.
- Metamateriales para Control de Radiación Térmica: Estos materiales están diseñados para controlar la emisión de radiación infrarroja, lo que los hace útiles en aplicaciones de camuflaje térmico y en sistemas de gestión de calor para dispositivos electrónicos.
- Metamateriales Fotónicos: Se utilizan para controlar y manipular la luz a una escala nanométrica. Pueden ser empleados en la creación de circuitos fotónicos para sistemas de comunicación más rápidos y eficientes o en la creación de nuevos tipos de láseres.
Si bien las simulaciones avanzadas por computadora pueden predecir cómo las combinaciones de microestructuras pueden conducir a diferentes propiedades de los metamateriales, las pruebas físicas son esenciales para la validación. Las pruebas tradicionales, como la nanoindentación, corren el riesgo de dañar las microestructuras durante las pruebas, por lo que no son válidas.
Qué están haciendo en el MIT
El equipo liderado por Carlos Portela, profesor de Ingeniería Mecánica en el MIT, recurrió a la ultrasonografía láser como método para probar los metamateriales. Esta técnica utiliza pulsos láser cortos sintonizados a frecuencias ultrasónicas para sondear objetos como películas delgadas de oro sin tocarlos. Los investigadores utilizaron pulsos láser para inducir vibraciones en los metamateriales. Un láser se usa para excitar el material, y otro para medir las vibraciones resultantes.
Para probar su sistema, el equipo imprimió cientos de torres microscópicas en un chip del tamaño de una uña. Las vibraciones medidas en esta configuración ayudaron a determinar propiedades como la rigidez en respuesta al impacto. El sistema también se utilizó para escanear torres en busca de defectos, comparando las firmas vibratorias de torres impresas sin defectos con aquellas impresas con defectos.
La técnica desarrollada por el equipo de MIT representa un avance significativo en la prueba y análisis de metamateriales. Esta metodología no solo es más segura para las microestructuras, sino que también es reproducible en otros laboratorios de investigación, lo que facilita el descubrimiento y la implementación de metamateriales en aplicaciones prácticas.
Cómo se construye una capa de invisibilidad
Ya sé que es el ejemplo preferido, por lo que vamos a trabajarlo.
- Diseño Teórico: Primero, se decide la frecuencia de la luz (por ejemplo, el espectro visible, infrarrojo, etc.) que el metamaterial deberá manipular. Usando modelos matemáticos y simulaciones por computadora, se diseñan patrones específicos a nanoescala que pueden desviar la luz de la manera deseada. Estos patrones están diseñados para guiar la luz alrededor del objeto, en lugar de permitir que la luz lo golpee.
- Selección de Materiales: Se eligen materiales que respondan adecuadamente a la frecuencia de luz objetivo. Comúnmente se utilizan metales como el oro o la plata a nanoescala, ya que pueden ser moldeados en estructuras precisas y tienen propiedades electromagnéticas favorables.
- Fabricación a Nanoescala: Una técnica común para crear estas estructuras es la litografía, donde se graban patrones precisos en una superficie. Por ejemplo, la litografía electrónica de haz de electrones puede usarse para crear los patrones específicos en una lámina delgada del material seleccionado. Se depositan capas del material en patrones específicos, utilizando técnicas como la deposición de vapor químico o físico.
- Ensamblaje de la Estructura: Las estructuras nano-fabricadas se ensamblan en una configuración que permita que la luz se desvíe correctamente alrededor del objeto. Esto podría implicar la alineación de múltiples capas o la construcción de una estructura tridimensional.
- Pruebas y Optimización: El metamaterial terminado se somete a pruebas para verificar su capacidad de desviar la luz como se deseaba. Esto generalmente se hace utilizando haces de luz y detectores en un laboratorio. Basado en los resultados, se pueden realizar ajustes en el diseño o en el proceso de fabricación para mejorar la eficacia del metamaterial.
Como veis, vale la pena seguir investigando en este tema.