Metamateriales: ir más allá

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Imagen: Jeongho Ha. Metalentes acromáticas de rejilla desarrolladas por los ingenieros de la Universidad de California en Berkeley. La barra de escala es de 5 micrómetros.

lo largo de estos veinte años, la Revista Hypatia ha abordado diferentes áreas del conocimiento y noticias en diversas ramas de la ciencia. Es momento de remembranzas y, claro, también de perspectivas. Entre los diversos temas que se han presentado hemos incluido varios relacionados con materiales y óptica. En esta ocasión, hablaremos acerca de un tipo de material que fue, en su momento, un parteaguas en la forma en la que se entendía el índice de refracción de materiales y la interacción luz-materia, y cuyo desarrollo experimental se centra en estos últimos 20 años: los metamateriales y sus aplicaciones. Una de las principales ventajas evolutivas del ser humano fue la posibilidad de fabricar herramientas y utilizarlas para resolver los problemas del día a día; para ello, tuvo que aprender sobre los materiales que le rodeaban y para qué podía utilizarlos. Así, la prehistoria incluso se ha dividido a partir del tipo de materiales que se utilizaban: la Edad de Piedra, la Edad de Cobre y, con el descubrimiento de las aleaciones, la Edad de Bronce; con ellos se mostraba el avance en el conocimiento empírico del uso de las herramientas y su estrecha relación con el progreso de la civilización. Al paso de los años y de diversas culturas, se puede ver cómo se usaban los materiales del entorno para construir viviendas cada vez más sofisticadas, al punto de que, en la actualidad, aún podemos ser testigos de la belleza de pirámides, templos y palacios que desafían el paso del tiempo.

Desde el manejo y uso de diferentes metales y aleaciones hasta el desarrollo de plásticos que toman todas las formas que deseamos, incluyendo cerámicos, maderas, estructuras basadas en carbón, semiconductores y muchos otros, el desarrollo de materiales con utilidades diversas no deja de asombrarnos. Al respecto, en este espacio se mencionará uno de los desarrollos de materiales más complejo e impresionante de las últimas décadas: los metamateriales.

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Una constructora de automóviles ha desarrollado un nuevo metamaterial acústico igual o más eficaz que cualquier otro y un 75 % más ligero.

El sufijo meta de la palabra metamaterial viene del griego que significa “más allá”; se refiere a materiales fabricados artificialmente, cuya estructura responde a campos electromagnéticos de forma inusual, es decir, de manera que no se observa en la naturaleza. Nosotros, en la vida diaria, estamos acostumbrados a los campos eléctricos que podemos observar en la energía que llega a nuestras casas, a campos magnéticos cuando observamos el comportamiento de un imán sobre algunos metales y a los campos electromagnéticos tales como la luz que pasa a través de nuestra ventana.

El espectro electromagnético se refiere a las ondas que están formadas por campos eléctricos y magnéticos que viajan en una dirección perpendicular respecto a éstos. Al interactuar estas ondas con materiales, éstos presentan diversos comportamientos; algunos son muy sensibles al componente de campo eléctrico, cuya propiedad se puede medir con algo llamado función dieléctrica; otros, responden con facilidad al componente de campo magnético y esto, a su vez, se mide con algo llamado permeabilidad magnética.

Resulta que, los metamateriales tienen formas geométricas, tales que, para ciertas condiciones tienen una respuesta con valor negativo tanto para la función dieléctrica como para la función de permeabilidad magnética. Entonces, un metamaterial se puede definir como un arreglo de materiales cuya geometría y orden permiten manipular el comportamiento de campos eléctrico y magnético; esto es, cambiar el valor de permitividad eléctrica y permeabilidad magnética, y con ello es posible modificar el comportamiento de la luz. Recientemente, también se han utilizado para controlar la propagación del sonido (metamateriales acústicos). Algunas de las formas y el tipo de orden de diversos metamateriales se pueden observar en la figura 1.

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Figura 1: Metamateriales usados para efectos acústicos (a y b), metamateriales para controlar las ondas electromagnéticas en microondas, se puede observar el arreglo ordenado de estructuras metálicas (c). Observa cómo son arreglos de diferentes materiales que tienen cierta periodicidad, es decir, hay un patrón que se repite, y además combinan diferentes materiales o tienen huecos ordenados estratégicamente. Un índice de refracción negativo, como el que se presenta en metamateriales genera un efecto óptico como el de la imagen del vaso a la derecha en la figura d.

Ahora que ya tienes una idea de qué son y cómo se ven los metamateriales, es natural que te preguntes: ¿para qué sirven? Como se ha mencionado antes, los metamateriales pueden cambiar la forma en la que se comporta la luz y guiarla o desviarla, de esta manera, pueden hacerse lentes que no necesitan tener una forma curva para enfocarse y, además, puedan utilizarse para fabricar microscopios que reproduzcan con gran precisión las imágenes observadas amplificadas (siempre se pierde resolución de la imagen observada al amplificarla por efectos ópticos como la aberración); también puedes desviar la luz alrededor de un objeto, de forma que, al no ver su reflejo, no la veas, así como las capas de invisibilidad que usaba Harry Potter; o desviar la luz alrededor de un objeto de manera que ésta se comporte de forma similar a como lo hace en las fronteras de un agujero negro, pero es posible estudiar estos comportamientos en un laboratorio, al alcance de tu mano.

Otras aplicaciones son: colocar un gran número de antenas para telecomunicaciones o satélites en un espacio muy pequeño, prevención de ruido, adquirir imágenes médicas, entre muchos otros. Se estima que el mercado relacionado con el desarrollo y aplicaciones de los metamateriales representa billones de dólares.

Ahora que sabes un poco más sobre estos materiales que van “más allá”, ¿qué se te ocurre que se podría hacer en el futuro con ellos?


Dra. María Beatriz de la Mora Mojica / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Instituto de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico
Universidad Nacional Autónoma de México