Revestimientos de ventanas transparentes que mantienen frescos los edificios y los automóviles en los días soleados. Dispositivos que podrían triplicar la eficiencia de las células solares. Delgada, escudos ligeros que bloquean la detección térmica. Estas son aplicaciones potenciales para un delgado, flexible, material absorbente de luz desarrollado por ingenieros de la Universidad de California en San Diego.

El material, llamado absorbedor de banda ancha casi perfecto, absorbe más del 87 por ciento de la luz infrarroja cercana (1, 200 a 2, 200 nanómetros de longitud de onda), con 98 por ciento de absorción en 1, 550 nanómetros, la longitud de onda para la comunicación por fibra óptica. El material es capaz de absorber la luz desde todos los ángulos. En teoría, también se puede personalizar para absorber ciertas longitudes de onda de luz mientras deja pasar otras.

Ya existen materiales que absorben "perfectamente" la luz, pero son voluminosos y pueden romperse cuando se doblan. Tampoco se pueden controlar para absorber solo un rango seleccionado de longitudes de onda, lo cual es una desventaja para ciertas aplicaciones. Imagínese si un revestimiento de ventana utilizado para enfriar no solo bloqueara la radiación infrarroja, pero también ondas de luz y radio normales que transmiten programas de radio y televisión.

Al desarrollar un nuevo diseño basado en nanopartículas, un equipo dirigido por los profesores Zhaowei Liu y Donald Sirbuly en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego ha creado un absorbente de banda ancha que es delgado, flexible y sintonizable. El trabajo fue publicado en línea el 24 de enero en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"Este material ofrece banda ancha, absorción aún selectiva que podría sintonizarse con distintas partes del espectro electromagnético, "Dijo Liu.

El absorbedor se basa en fenómenos ópticos conocidos como resonancias de plasmones superficiales, que son movimientos colectivos de electrones libres que ocurren en la superficie de nanopartículas metálicas al interactuar con ciertas longitudes de onda de luz. Las nanopartículas metálicas pueden transportar muchos electrones libres, por lo que exhiben una fuerte resonancia de plasmón superficial, pero principalmente en luz visible, no en el infrarrojo.

Los ingenieros de UC San Diego razonaron que si podían cambiar el número de portadores de electrones libres, podían sintonizar la resonancia del plasmón de la superficie del material a diferentes longitudes de onda de luz. "Reduzca este número, y podemos empujar la resonancia del plasmón al infrarrojo. Haz el número más alto con más electrones, y podemos empujar la resonancia del plasmón a la región ultravioleta, ", Dijo Sirbuly. El problema con este enfoque es que es difícil de hacer en metales.

Para abordar este desafío, Los ingenieros diseñaron y construyeron un absorbedor a partir de materiales que podrían modificarse. o dopado, para transportar una cantidad diferente de electrones libres:semiconductores. Los investigadores utilizaron un semiconductor llamado óxido de zinc, que tiene un número moderado de electrones libres, y lo combinó con su versión metálica, óxido de zinc dopado con aluminio, que alberga una gran cantidad de electrones libres, no tanto como un metal real, pero lo suficiente para darle propiedades plasmónicas en el infrarrojo.

Los materiales se combinaron y estructuraron de manera precisa utilizando tecnologías avanzadas de nanofabricación en la instalación de sala limpia Nano3 en el Qualcomm Institute en UC San Diego. Los materiales se depositaron una capa atómica a la vez sobre un sustrato de silicio para crear una matriz de nanotubos en pie, cada uno hecho de anillos concéntricos alternos de óxido de zinc y óxido de zinc dopado con aluminio. Los tubos son 1, 730 nanómetros de altura, 650 a 770 nanómetros de diámetro, y espaciados menos de cien nanómetros. La matriz de nanotubos se transfirió luego del sustrato de silicio a una delgada, polímero elástico. El resultado es un material delgado, flexible y transparente en lo visible.

"Hay diferentes parámetros que podemos modificar en este diseño para adaptar la banda de absorción del material:el tamaño del espacio entre los tubos, la proporción de los materiales, los tipos de materiales, y la concentración del portador de electrones. Nuestras simulaciones muestran que esto es posible, "dijo Conor Riley, un reciente doctorado en nanoingeniería. graduado de UC San Diego y el primer autor de este trabajo. Riley es actualmente investigadora postdoctoral en el grupo de Sirbuly.

Esas son solo algunas características interesantes de este diseño basado en partículas, dijeron los investigadores. También es potencialmente transferible a cualquier tipo de sustrato y se puede ampliar para fabricar dispositivos de gran superficie, como absorbentes de banda ancha para ventanas grandes. "Los nanomateriales normalmente no se fabrican a escalas superiores a un par de centímetros, por lo que este sería un gran paso en esa dirección, "Dijo Sirbuly.

La tecnología aún se encuentra en la etapa de desarrollo. Los equipos de Liu y Sirbuly continúan trabajando juntos para explorar diferentes materiales, geometrías y diseños para desarrollar absorbentes que trabajen en diferentes longitudes de onda de luz para diversas aplicaciones.