Los metamateriales son productos de la magia de la ingenier\u00eda. Est\u00e1n hechos de pol\u00edmeros, cer\u00e1micas y metales cotidianos. Y cuando se construyen precisamente a microescala, en arquitecturas intrincadas, estos materiales ordinarios pueden adquirir propiedades extraordinarias.<\/p>\n
Con la ayuda de simulaciones por computadora, los ingenieros pueden jugar con cualquier combinaci\u00f3n de microestructuras para ver c\u00f3mo ciertos materiales pueden transformarse, por ejemplo, en lentes ac\u00fasticas que enfocan el sonido o pel\u00edculas livianas a prueba de balas.<\/p>\n
Pero las simulaciones s\u00f3lo pueden llevar un dise\u00f1o hasta cierto punto. Para saber con seguridad si un metamaterial cumplir\u00e1 con las expectativas, es imprescindible probarlo f\u00edsicamente. Pero no ha habido una manera confiable de empujar y tirar de metamateriales a microescala, y de saber c\u00f3mo responder\u00e1n, sin contactar y da\u00f1ar f\u00edsicamente las estructuras en el proceso.<\/p>\n
Ahora, una nueva t\u00e9cnica basada en l\u00e1ser ofrece una soluci\u00f3n r\u00e1pida y segura que podr\u00eda acelerar el descubrimiento de metamateriales prometedores para aplicaciones del mundo real.<\/p>\n
La t\u00e9cnica, desarrollada por ingenieros del MIT, explora metamateriales con un sistema de dos l\u00e1seres: uno para atacar r\u00e1pidamente 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 reverberaci\u00f3n. A diferencia de un mazo, los l\u00e1seres no hacen contacto f\u00edsico. Sin embargo, pueden producir vibraciones en las diminutas vigas y puntales de un metamaterial, como si la estructura estuviera siendo golpeada, estirada o cortada f\u00edsicamente.<\/p>\n
Luego, los ingenieros pueden utilizar las vibraciones resultantes para calcular diversas propiedades din\u00e1micas del material, como c\u00f3mo responder\u00eda a los impactos y c\u00f3mo absorber\u00eda o dispersar\u00eda el sonido. Con un pulso l\u00e1ser ultrarr\u00e1pido, pueden excitar y medir cientos de estructuras en miniatura en cuesti\u00f3n de minutos. La nueva t\u00e9cnica ofrece por primera vez una forma segura, fiable y de alto rendimiento de caracterizar din\u00e1micamente metamateriales a microescala.<\/p>\n
\"Necesitamos encontrar formas m\u00e1s r\u00e1pidas de probar, optimizar y ajustar estos materiales\", dice Carlos Portela, profesor de desarrollo profesional brit\u00e1nico y Alex d’Arbeloff en ingenier\u00eda mec\u00e1nica en el MIT. \"Con este enfoque, podemos acelerar el descubrimiento de materiales \u00f3ptimos, seg\u00fan las propiedades que se deseen\".<\/p>\n
Portela y sus colegas detallan su nuevo sistema, al que denominaron LIRAS (por espectroscopia ac\u00fastica resonante inducida por l\u00e1ser) en un art\u00edculo que aparece hoy en Naturaleza<\/em>. 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 Energ\u00eda de EE. UU.<\/p>\n un consejo lento<\/strong><\/p>\n Los metamateriales con los que trabaja Portela est\u00e1n hechos de pol\u00edmeros comunes que imprime en 3D en peque\u00f1as torres parecidas a andamios hechas de vigas y puntales microsc\u00f3picos. Cada torre est\u00e1 modelada repitiendo y superponiendo una sola unidad geom\u00e9trica, como una configuraci\u00f3n de ocho puntas de vigas conectadas. Cuando se apilan de extremo a extremo, la disposici\u00f3n de la torre puede otorgar al pol\u00edmero propiedades que de otro modo no tendr\u00eda.<\/p>\n Pero los ingenieros tienen opciones muy limitadas para probar y validar f\u00edsicamente estas propiedades de los metamateriales. La nanoindentaci\u00f3n es la forma t\u00edpica en la que se exploran este tipo de microestructuras, aunque de forma muy deliberada y controlada. El m\u00e9todo emplea una punta de escala microm\u00e9trica para empujar lentamente hacia abajo una estructura mientras se mide el peque\u00f1o desplazamiento y las fuerzas sobre la estructura a medida que se comprime.<\/p>\n \"Pero esta t\u00e9cnica s\u00f3lo puede funcionar con cierta rapidez y al mismo tiempo da\u00f1ar la estructura\", se\u00f1ala Portela. \"Quer\u00edamos encontrar una manera de medir c\u00f3mo se comportar\u00edan din\u00e1micamente estas estructuras, por ejemplo en la respuesta inicial a un impacto fuerte, pero de una manera que no las destruyera\".<\/p>\n Un mundo (meta)material<\/strong><\/p>\n El equipo recurri\u00f3 al ultrasonido l\u00e1ser, un m\u00e9todo no destructivo que utiliza un pulso l\u00e1ser corto sintonizado con frecuencias de ultrasonido para excitar materiales muy delgados, como pel\u00edculas de oro, sin tocarlos f\u00edsicamente. Las ondas de ultrasonido creadas por la excitaci\u00f3n del l\u00e1ser est\u00e1n dentro de un rango que puede hacer que una pel\u00edcula delgada vibre a una frecuencia que los cient\u00edficos pueden usar para determinar el espesor exacto de la pel\u00edcula con una precisi\u00f3n nanom\u00e9trica. La t\u00e9cnica tambi\u00e9n se puede utilizar para determinar si una pel\u00edcula delgada presenta alg\u00fan defecto.<\/p>\n Portela y sus colegas se dieron cuenta de que los l\u00e1seres ultras\u00f3nicos tambi\u00e9n podr\u00edan inducir de forma segura la vibraci\u00f3n de sus torres de metamateriales 3D; La altura de las torres, que oscila entre 50 y 200 micr\u00f3metros, o hasta aproximadamente el doble del di\u00e1metro de un cabello humano, est\u00e1 en una escala microsc\u00f3pica similar a la de las pel\u00edculas delgadas.<\/p>\n Para probar esta idea, Yun Kai, que se uni\u00f3 al grupo de Portela con experiencia en \u00f3ptica l\u00e1ser, construy\u00f3 una configuraci\u00f3n de mesa que comprende dos l\u00e1seres ultras\u00f3nicos: un l\u00e1ser de \"pulso\" para excitar muestras de metamateriales y un l\u00e1ser de \"sonda\" para medir las vibraciones resultantes.<\/p>\n En un solo chip no m\u00e1s grande que una u\u00f1a, el equipo imprimi\u00f3 cientos de torres microsc\u00f3picas, cada una con una altura y arquitectura espec\u00edficas. Colocaron esta ciudad en miniatura de metamateriales en la configuraci\u00f3n de dos l\u00e1seres y luego excitaron las torres con repetidos pulsos ultracortos. El segundo l\u00e1ser midi\u00f3 las vibraciones de cada torre individual. Luego, el equipo recopil\u00f3 los datos y busc\u00f3 patrones en las vibraciones.<\/p>\n \u201cTodas estas estructuras las excitamos con un l\u00e1ser, 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\u201d, dice Portela. \"Luego podremos analizar estos movimientos y extraer las propiedades din\u00e1micas de cada estructura, como su rigidez en respuesta al impacto y la velocidad a la que los ultrasonidos viajan a trav\u00e9s de ellas\".<\/p>\n El equipo utiliz\u00f3 la misma t\u00e9cnica 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 m\u00e1s peque\u00f1o que el tama\u00f1o de un gl\u00f3bulo rojo.<\/p>\n \"Dado que cada torre tiene una firma vibratoria, vimos que cuanto m\u00e1s defectos pusimos en esa misma estructura, m\u00e1s cambiaba esta firma\", explica Portela. \u201cSe podr\u00eda imaginar escanear una l\u00ednea de montaje de estructuras. Si detecta uno con una firma ligeramente diferente, sabr\u00e1 que no es perfecto\u201d.<\/p>\n Dice que los cient\u00edficos pueden recrear f\u00e1cilmente la configuraci\u00f3n del l\u00e1ser en sus propios laboratorios. Entonces, Portela predice que despegar\u00e1 el descubrimiento de metamateriales pr\u00e1cticos en el mundo real. Portela, por su parte, est\u00e1 interesado en fabricar y probar metamateriales que enfoquen las ondas ultras\u00f3nicas, por ejemplo para aumentar la sensibilidad de las sondas ultras\u00f3nicas. Tambi\u00e9n est\u00e1 explorando metamateriales resistentes a los impactos, por ejemplo para revestir el interior de los cascos de bicicleta.<\/p>\n \"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 din\u00e1mico de los metamateriales y explorarlos hasta el extremo\".<\/p>\n Esta investigaci\u00f3n se llev\u00f3 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 Energ\u00eda, la Fundaci\u00f3n Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigaci\u00f3n del Ej\u00e9rcito DEVCOM ARL a trav\u00e9s del Instituto de Nanotecnolog\u00edas para Soldados del MIT. .<\/p>\n<\/p><\/div>\n![\"Dibujo](\"https:\/\/news.mit.edu\/sites\/default\/files\/images\/inline\/MIT_Meta-Scan.gif\")