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Un material flexible y ligero
Investigadores de la Universidad de St. Andrews han creado láminas de un metamaterial flexible que puede manipular la luz visible. Es un paso adelante bastante significativo, dice Steven Cummer , profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Duke e inventor de la primera capa de invisibilidad basada en metamateriales. En las frecuencias de radio sabemos cómo hacer muchas de estas cosas. Pero en longitudes de onda ópticas, las cosas han sido muy limitadas por fabricación.
Ahora lo ves: Una hoja de Metaflex, un nuevo metamaterial que podría usarse en dispositivos y tejidos que pueden manipular la luz visible.
Los metamateriales permiten a los investigadores manipular ondas electromagnéticas más allá de los límites de lo que permite la física en los materiales naturales. Además de prometer mejores células solares y lentes de microscopio de alta resolución, los metamateriales también se han utilizado para crear las llamadas capas de invisibilidad, en las que las ondas electromagnéticas se doblan alrededor de un objeto como si simplemente no estuviera allí.
Sin embargo, los metamateriales deben construirse con elementos más pequeños que la longitud de onda de la radiación electromagnética que se manipula. Esto significa que las capas de invisibilidad (y la mayoría de los dispositivos metamateriales en general) solo funcionan con longitudes de onda más largas que las que se encuentran en la luz visible, como las frecuencias de radio y microondas. Los metamateriales diseñados para trabajar con longitudes de onda ópticas se construyen sobre sustratos rígidos y frágiles y, como resultado, se han confinado al laboratorio.
El nuevo metamaterial, denominado Metaflex por sus creadores, se fabrica sobre un sustrato rígido. Se deposita una capa inicial de sacrificio del material sobre este sustrato para evitar que las capas posteriores se adhieran a este sustrato. A continuación, se coloca una hoja de un polímero plástico transparente y flexible. A continuación, un proceso litográfico, similar al utilizado para hacer chips de silicio, crea una red de barras de oro, cada una de 100 a 200 nanómetros de largo y 40 nanómetros de espesor, sobre el polímero. (Estas barras actúan como nanoantenas que interactúan con las ondas electromagnéticas entrantes). Luego, el material Metaflex se baña en una sustancia química que libera el polímero de la capa inferior y del sustrato rígido.
Al variar la longitud y el espaciado de las nanoantenas, Metaflex se puede sintonizar para interactuar con diferentes longitudes de onda de luz. Las hojas simples probadas por los investigadores simplemente bloquearon una parte de un haz de luz entrante en longitudes de onda específicas, pero esto es suficiente para demostrar que Metaflex es un metamaterial funcional. Los investigadores de St. Andrew's probaron longitudes de onda tan cortas como 620 nanómetros (que corresponden a un color rojo).
Hasta ahora, los investigadores han producido láminas flexibles de hasta cinco por ocho milímetros y delgadas hasta cuatro micrómetros. Si bien una muestra del tamaño de una uña puede parecer pequeña, es un gran paso adelante de las dimensiones microscópicas de otros metamateriales ópticos. Los científicos de St. Andrew's confían en que Metaflex se puede producir en tamaños aún mayores y en grandes volúmenes. Es absolutamente escalable a niveles industriales, dice Andrea Di Falco, autor principal de un papel publicado en el Nueva revista de física ayer que describe el material.
Incluso en tamaños pequeños, es probable que la flexibilidad del material confiera grandes ventajas. Realmente le gustaría poder dar forma a metamateriales ópticos en cilindros o secciones esféricas. Esto podría permitir, por ejemplo, la creación de superlentes curvas que podrían magnificar objetos tan pequeños que actualmente no se pueden ver con lentes ópticos debido a los efectos de difracción. En sustratos rígidos, es casi imposible fabricar ese tipo de cosas, dice Cummer de la Universidad de Duke, pero con un material flexible, podría fabricar plano y doblarlo fácilmente para darle forma.
Di Falco cree que debería ser posible apilar láminas de Metaflex juntas para crear capas gruesas y bloques del material, creando el primer metamaterial óptico con un volumen tridimensional significativo. Tal desarrollo abriría la puerta a nuevas propiedades, incluida, quizás, la capacidad de trabajar con más de una longitud de onda a la vez. Otros investigadores han podido crear metamateriales que se pueden sintonizar para responder a diferentes longitudes de onda individuales después de la fabricación, pero idealmente, les gustaría un material que pueda funcionar en una amplia banda de longitudes de onda simultáneamente. Esto podría lograrse apilando hojas de MetaFlex, cada una sintonizada a una longitud de onda diferente.
El siguiente paso de los investigadores es crear estas pilas y estudiar cómo cambian las propiedades de Metaflex cuando las hojas se retuercen, estiran o doblan.
En última instancia, dice Di Falco, Metaflex podría tener aplicaciones como manipular la luz de un LED integrado en una lente de contacto para la realidad aumentada, de modo que las imágenes generadas por computadora se proyecten en la retina del usuario. Y, por supuesto, hay invisibilidad. Si tiene algo flexible, puede incrustarlo en una tela. Entonces podría pensar en ajustar las propiedades de cada capa individual para cambiar la respuesta de la tela, dando algo similar al camuflaje. Entonces, sí, hay algunos motivos para [una capa de invisibilidad]. Mañana no. Pero eso es en lo que estaré trabajando, dice Di Falco.