martes. 16.04.2024
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Metamateriales, aplicaciones futuras | Parte I

Jesús Madrigal Melchor y Raúl Alberto Reyes Villagrana

Metamateriales, aplicaciones futuras | Parte I

 

En las primeras participaciones en Tachas hablamos de los metamateriales, a través de la posibilidad de la invisibilidad. Ahora retomaremos estos arreglos para platicarles de sus posibles aplicaciones en diferentes campos e industrias. Para ello hablaremos de un reportaje realizado por Jeremy Wagstaff en Reuters:

Una nueva forma de cubrir cosas, llamado metamateriales, puede ayudar en un futuro no muy lejano en proteger un edificio de terremotos haciendo pasar  las ondas sísmicas alrededor del mismo. También las olas del tsunami pueden ser desviadas alrededor de las ciudades, y las ondas sonoras dobladas alrededor de una habitación para que sea a prueba de sonido.

Mientras que el santo grial de los metamateriales es todavía el hacer objetos y personas invisibles al ojo humano, en un futuro van a tener un impacto comercial más tangible en cosas mundanas, desde antenas de satélite hasta cargar de manera inalámbrica teléfonos celulares.

Los metamateriales son simplemente materiales que presentan propiedades que no se encuentran en la naturaleza, tales como la forma en que absorben o reflejan la luz. La clave está en cómo se hacen. Al reunir el material —a partir de cristales fotónicos a cable y espuma— en una escala más pequeña que la longitud de la onda que está tratando de manipular, la onda puede, en teoría, ser doblada (desviada) a voluntad.

Esto hace que los metamateriales sean la herramienta de elección para los científicos que luchan por  construir todo tipo de dispositivos de camuflaje de ondas, entre ellos la llamada capa de invisibilidad —un dispositivo que hace que  todo lo que hay dentro de él efectivamente invisible al doblar  las ondas de luz a su alrededor.

"La capa de invisibilidad fue sólo una cosa más que descubríamos —dado que tenemos toda esta flexibilidad en este material, podemos hacer muchas otras cosas—", dijo David Smith, de la Universidad de Duke, ampliamente considerado como uno de los padres fundadores de los metamateriales, en una entrevista telefónica. "Pero estamos igualmente interesados ​​en ver esta transición en hacer una diferencia en las vidas de las personas."

De hecho, el propio trayecto que Smith da a los materiales para ir del laboratorio a la industria, muestra que mientras los metamateriales tienen para algunos la posibilidad de que se conviertan en sinónimo de capas de "Harry Potter", su promesa es que impacten  en una amplia gama de industrias y usos, desde dispositivos de comunicación más pequeños a edificios a prueba de terremotos.

Cómo se Dobla la Luz

El corazón de los metamateriales y la invisibilidad son las ondas. Si las ondas electromagnéticas —luz visible, microondas o ondas en el infrarrojo— pueden doblarse alrededor de un objeto éste no sería visible en esas longitudes de onda. Mucho tiempo se pensó que no podía controlarse la luz de esta manera con materiales naturales dado que  sus propiedades ópticas dependen de la química de los átomos de los cuales ellos están compuestos.

Fue sólo cuando Smith y sus colegas experimentaron con la alteración de la geometría del material a finales de la era de los 90’s que descubrieron que podían cambiar la forma en que estos materiales interactúan con la luz, o con otros tipos de onda —fue así la creación de los metamateriales—. Con eso, dice Andrea Alu, profesor asociado en la Universidad de Texas en Austin, los científicos encontraron que "puede ser posible desafiar las reglas y las limitaciones que fueron durante siglos considerados que estaban escritas en piedra."

En la última década se ha visto una explosión en la investigación en metamateriales basada en los hallazgos de Smith que permiten hacer objetos invisibles para algunas formas de luz.

"Hasta ahora ha habido varias demostraciones de camuflaje en longitudes de onda visibles, por lo que los mantos de invisibilidad son verdaderamente posibles y ya se han realizado", dice Jason Valentine, de la Universidad de Vanderbilt, quien hizo una de las primeras capas de invisibilidad. Estos, sin embargo, tienen limitaciones —tales como que  trabajan solo para ciertas longitudes de onda o desde ciertos ángulos. Pero estas barreras están cayendo rápidamente—, dice Valentine.

En el último año, por ejemplo, Yaroslav Urzhumov de la Universidad de Duke ha hecho una capa de invisibilidad plástica que desvía los haces de microondas utilizando una impresora 3D normal, mientras Alu ha construido una capa de invisibilidad ultradelgada alimentada por corriente eléctrica.

Con esto hemos terminado esta primera parte de los metamateriales y sus aplicaciones recordando lo que es un metamaterial y describiendo algunos de los trabajos realizados por diferentes grupos de investigación. En las siguientes dos partes hablaremos de sus posibles aplicaciones en el ámbito militar; su uso en crear y absorber ondas de diferentes tipos;  y su aplicación en cargadores inalámbricos para celulares entre otros.

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