Nota

Universidad Nacional del Nordeste - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura

21 de Marzo de 2011 | 6 ′ 37 ′′

Metamateriales: imperceptibles y con propiedades ópticas inéditas

Investigadores trabajan en el diseño de “metamateriales”, es decir, materiales naturales a los que en escalas diminutas, imperceptibles a la vista, se les modifica su estructura, con el fin de que puedan interactuar con la luz de una forma diferente a como lo hacen los objetos convencionales. El control de esa interacción con la luz permite aplicaciones tecnológicas de avanzada.

En la investigación, se trabaja con materiales naturales como silicio u otros, a los que mediante técnicas de estructuración en una escala de tamaños muy reducidos, imperceptibles a la vista, se logra modificar sus propiedades ópticas macroscópicas. Es por esta razón que se los conoce con el nombre de “metamateriales” por ser materiales convencionales pero modificados de forma tal que poseen propiedades no observadas en la naturaleza.

En la magnitud de tamaño en que se trabaja, decenas de miles de veces menor al grosor de un cabello, y que se conoce como escala nanométrica, la geometría y composición de los materiales pueden hacer que la interacción con la luz sea de una forma totalmente diferente a la esperada en el caso de los materiales naturales.

Según explicó a InfoUniversidades el doctor Guillermo Ortiz, responsable del Grupo de Electromagnetismo Aplicado, el objetivo es el entendimiento y control de las propiedades ópticas debidas a la estructuración nanométrica de los metamateriales, a efectos de predecir el comportamiento de dispositivos ópticos con aplicaciones en sistemas sensores, electrónicos, fotovoltaicos y luminiscentes, entre otras aplicaciones.

En una de las líneas de trabajo, los investigadores lograron avanzar en el entendimiento de las propiedades ópticas de los metamateriales, por lo que recientemente reportaron en la revista del ámbito científico “Physical Review” los primeros resultados en el desarrollo de un método para calcular su respuesta óptica efectiva. “Se trata de un modelo físico que contempla la geometría de la estructura nanométrica para describir la interacción de la luz con el sistema en estudio” indicó Ortiz. Entre sus implicaciones, permitiría guiar el desarrollo de sistemas sensores y dispositivos ópticos con un alto valor agregado debido a la incorporación de un conocimiento propio de la tecnología de última generación.

Escala imperceptible

Ortiz resaltó que lo asombroso de estos sistemas es la escala de tamaño en la que se requiere modificar la estructura de la materia. Es la “nanoescala”, en la que el prefijo “nano” representa la milmillonésima parte de un metro (0,000000001 metro). El grosor de un cabello es decenas de miles de veces más grande aún.

Explicó que este tipo de cálculo en tan pequeña escala requiere de cómputo de alto rendimiento, por lo que actualmente se utilizan recursos de instituciones científicas mexicanas con las que se mantiene una estrecha colaboración en el desarrollo de las teorías y métodos de cálculo. También se utilizaron para este trabajo recursos locales, gracias a la incorporación de equipamiento en el Grupo de Física Atómica y Molecular de la UNNE. Conocido como “cluster”, estos equipos de súper cómputo son un conjunto de procesadores modernos interconectados sobre los que se distribuyen las tareas requeridas para el cálculo.

Manipulación de materiales

Por otra parte, aunque en el marco de la misma línea de investigación, el Grupo de Electromagnetismo Aplicado busca mediante técnicas accesibles en un laboratorio convencional, manipular la materia en la escala nanométrica. Se trata de un proyecto con base en tecnología del “Silicio Poroso Nanoestructurado”. Trabajan en la obtención de estructuras de poros nanométricos mediante tratamientos químicos controlados sobre superficies de silicio. Esos poros son huecos cilíndricos que se forman desde la superficie del silicio hacia su interior en un espesor que controlan con muy buena precisión combinando técnicas electrónicas y ópticas.

“Si se enciman varias capas bien definidas de estas estructuras variando la densidad de poros en cada una, se obtiene un filtro óptico” explicó Ortiz, y si ese filtro es expuesto a la luz, es capaz de seleccionar y permitir el paso de determinadas zonas del espectro luminoso, según sean los espesores y densidades de poros en cada capa. Este proceso de paso de la luz y su manejo es un ejemplo del tipo de control que se puede lograr mediante estructuración nanométrica para aplicaciones tecnológicas en informática, electrónica, medios no convencionales de energía, etc.

Entre los objetivos a corto plazo, se trabaja sobre el control de propiedades ópticas mediante el desarrollo de una técnica para lograr que los poros, o huecos, se formen de manera ordenada en la capa de silicio, determinándose su arreglo periódico y con diámetros lo más uniformes posibles.

Esta técnica se basa en el empleo de una especie de molde llamado “Máscara”, construida con óxido de aluminio. Mediante la forma de estas máscaras se permite modificar de manera selectiva superficies de silicio u otro material de interés. Para diseñar estas máscaras, los investigadores utilizan una técnica llamada “anodizado”, con la que se produce un ataque químico controlado sobre aluminio. Dependiendo de las condiciones de ese ataque químico, se puede obtener un arreglo de celdas hexagonales auto-ordenadas de poros cilíndricos, cuyos diámetros y tamaños de celdas se desean controlar.

Trascendencia

“Son importantes estos avances en la metodología con la que se construyen las máscaras de Alúmina, ya que transferir luego este ordenamiento muy regular de los poros al silicio abre muchas posibilidades en el manejo de las propiedades ópticas y fisico-químicas de ese material”, comentó la ingeniera química Fiorella D’Ascenzo, quien participa del proyecto junto con el ingeniero Víctor Toranzos.

Los investigadores explicaron que, por un lado, ya diseñaron una fuente de tensión constante mediante la que se hace el ataque químico y, por otra parte, modelaron una celda de anodizado que permite predecir las etapas fundamentales para lograr las máscaras de Alúmina, describiendo las modificaciones principales en la “nanoestructuración” del aluminio, es decir, en el diseño de las máscaras con una estructura nanométrica. “Los próximos pasos en el trabajo experimental son el diseño y la construcción de la celda de anodización, para contar con un método confiable para la fabricación de las máscaras” puntualizó el doctor Ortiz.

Juan Monzón Gramajo
José Goretta
Laura Duarte Galarza
Universidad Nacional del Nordeste

Departamento de Comunicación Institucional
monzongramajo@hotmail.com
www.unne.edu.ar


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