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Los metamateriales son productos de la magia de la ingeniería. Están hechos de polímeros, cerámicas y metales cotidianos. Y cuando se construyen precisamente a microescala, en arquitecturas intrincadas, estos materiales ordinarios pueden adquirir propiedades extraordinarias.
Con la ayuda de simulaciones por computadora, los ingenieros pueden jugar con cualquier combinación de microestructuras para ver cómo ciertos materiales pueden transformarse, por ejemplo, en lentes acústicas que enfocan el sonido o películas livianas a prueba de balas.
Pero las simulaciones sólo pueden llevar un diseño hasta cierto punto. Para saber con seguridad si un metamaterial cumplirá con las expectativas, es imprescindible probarlo físicamente. Pero no ha habido una manera confiable de empujar y tirar de metamateriales a microescala, y de saber cómo responderán, sin contactar y dañar físicamente las estructuras en el proceso.
Ahora, una nueva técnica basada en láser ofrece una solución rápida y segura que podría acelerar el descubrimiento de metamateriales prometedores para aplicaciones del mundo real.
La técnica, desarrollada por ingenieros del MIT, explora metamateriales con un sistema de dos láseres: uno para atacar rápidamente una estructura y el otro para medir las formas en que vibra en respuesta, muy parecido a golpear una campana con un mazo y registrar su reverberación. A diferencia de un mazo, los láseres no hacen contacto físico. Sin embargo, pueden producir vibraciones en las diminutas vigas y puntales de un metamaterial, como si la estructura estuviera siendo golpeada, estirada o cortada físicamente.
Luego, los ingenieros pueden utilizar las vibraciones resultantes para calcular diversas propiedades dinámicas del material, como cómo respondería a los impactos y cómo absorbería o dispersaría el sonido. Con un pulso láser ultrarrápido, pueden excitar y medir cientos de estructuras en miniatura en cuestión de minutos. La nueva técnica ofrece por primera vez una forma segura, fiable y de alto rendimiento de caracterizar dinámicamente metamateriales a microescala.
"Necesitamos encontrar formas más rápidas de probar, optimizar y ajustar estos materiales", dice Carlos Portela, profesor de desarrollo profesional británico y Alex d’Arbeloff en ingeniería mecánica en el MIT. "Con este enfoque, podemos acelerar el descubrimiento de materiales óptimos, según las propiedades que se deseen".
Portela y sus colegas detallan su nuevo sistema, al que denominaron LIRAS (por espectroscopia acústica resonante inducida por láser) en un artículo que aparece hoy en Naturaleza. Sus coautores del MIT incluyen al primer autor Yun Kai, Somayajulu Dhulipala, Rachel Sun, Jet Lem y Thomas Pezeril, junto con Washington DeLima en el Campus de Seguridad Nacional de Kansas City del Departamento de Energía de EE. UU.
un consejo lento
Los metamateriales con los que trabaja Portela están hechos de polímeros comunes que imprime en 3D en pequeñas torres parecidas a andamios hechas de vigas y puntales microscópicos. Cada torre está modelada repitiendo y superponiendo una sola unidad geométrica, como una configuración de ocho puntas de vigas conectadas. Cuando se apilan de extremo a extremo, la disposición de la torre puede otorgar al polímero propiedades que de otro modo no tendría.
Pero los ingenieros tienen opciones muy limitadas para probar y validar físicamente estas propiedades de los metamateriales. La nanoindentación es la forma típica en la que se exploran este tipo de microestructuras, aunque de forma muy deliberada y controlada. El método emplea una punta de escala micrométrica para empujar lentamente hacia abajo una estructura mientras se mide el pequeño desplazamiento y las fuerzas sobre la estructura a medida que se comprime.
"Pero esta técnica sólo puede funcionar con cierta rapidez y al mismo tiempo dañar la estructura", señala Portela. "Queríamos encontrar una manera de medir cómo se comportarían dinámicamente estas estructuras, por ejemplo en la respuesta inicial a un impacto fuerte, pero de una manera que no las destruyera".
Un mundo (meta)material
El equipo recurrió al ultrasonido láser, un método no destructivo que utiliza un pulso láser corto sintonizado con frecuencias de ultrasonido para excitar materiales muy delgados, como películas de oro, sin tocarlos físicamente. Las ondas de ultrasonido creadas por la excitación del láser están dentro de un rango que puede hacer que una película delgada vibre a una frecuencia que los científicos pueden usar para determinar el espesor exacto de la película con una precisión nanométrica. La técnica también se puede utilizar para determinar si una película delgada presenta algún defecto.
Portela y sus colegas se dieron cuenta de que los láseres ultrasónicos también podrían inducir de forma segura la vibración de sus torres de metamateriales 3D; La altura de las torres, que oscila entre 50 y 200 micrómetros, o hasta aproximadamente el doble del diámetro de un cabello humano, está en una escala microscópica similar a la de las películas delgadas.
Para probar esta idea, Yun Kai, que se unió al grupo de Portela con experiencia en óptica láser, construyó una configuración de mesa que comprende dos láseres ultrasónicos: un láser de "pulso" para excitar muestras de metamateriales y un láser de "sonda" para medir las vibraciones resultantes.
En un solo chip no más grande que una uña, el equipo imprimió cientos de torres microscópicas, cada una con una altura y arquitectura específicas. Colocaron esta ciudad en miniatura de metamateriales en la configuración de dos láseres y luego excitaron las torres con repetidos pulsos ultracortos. El segundo láser midió las vibraciones de cada torre individual. Luego, el equipo recopiló los datos y buscó patrones en las vibraciones.
“Todas estas estructuras las excitamos con un láser, que es como golpearlas con un martillo. Y luego capturamos todos los movimientos de cientos de torres, y todas se tambalean de maneras ligeramente diferentes”, dice Portela. "Luego podremos analizar estos movimientos y extraer las propiedades dinámicas de cada estructura, como su rigidez en respuesta al impacto y la velocidad a la que los ultrasonidos viajan a través de ellas".
El equipo utilizó la misma técnica para escanear torres en busca de defectos. Imprimieron varias torres sin defectos y luego imprimieron las mismas arquitecturas, pero con distintos grados de defectos, como puntales y vigas faltantes, cada uno más pequeño que el tamaño de un glóbulo rojo.
"Dado que cada torre tiene una firma vibratoria, vimos que cuanto más defectos pusimos en esa misma estructura, más cambiaba esta firma", explica Portela. “Se podría imaginar escanear una línea de montaje de estructuras. Si detecta uno con una firma ligeramente diferente, sabrá que no es perfecto”.
Dice que los científicos pueden recrear fácilmente la configuración del láser en sus propios laboratorios. Entonces, Portela predice que despegará el descubrimiento de metamateriales prácticos en el mundo real. Portela, por su parte, está interesado en fabricar y probar metamateriales que enfoquen las ondas ultrasónicas, por ejemplo para aumentar la sensibilidad de las sondas ultrasónicas. También está explorando metamateriales resistentes a los impactos, por ejemplo para revestir el interior de los cascos de bicicleta.
"Sabemos lo importante que es fabricar materiales que mitiguen los golpes y los impactos", ofrece Kai. "Ahora, con nuestro estudio, por primera vez podemos caracterizar el comportamiento dinámico de los metamateriales y explorarlos hasta el extremo".
Esta investigación se llevó a cabo, en parte, utilizando las instalaciones de MIT.nano y con el apoyo, en parte, del Campus de Seguridad Nacional de Kansas City del Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación del Ejército DEVCOM ARL a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT. .
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