Un equipo dirigido por investigadores de Twin Cities de la Universidad de Minnesota ha descubierto un innovador proceso de un solo paso para crear materiales con propiedades únicas. llamados metamateriales. Sus resultados muestran la posibilidad realista de diseñar estructuras autoensambladas similares con el potencial de crear nanoestructuras "construidas bajo pedido" para una amplia aplicación en dispositivos electrónicos y ópticos.

La investigación fue publicada y presentada en la portada de Nano letras , una revista científica revisada por pares publicada por la American Chemical Society.

En general, Los metamateriales son materiales fabricados en el laboratorio para proporcionar elementos físicos específicos, químico, eléctrico, y propiedades ópticas que de otro modo serían imposibles de encontrar en materiales naturales. Estos materiales pueden tener propiedades únicas que los hacen ideales para una variedad de aplicaciones, desde filtros ópticos y dispositivos médicos hasta insonorización de aeronaves y monitoreo de infraestructura. Por lo general, estos materiales a nanoescala se producen minuciosamente en un entorno de sala limpia especializado durante días y semanas en un proceso de fabricación de varios pasos.

En esta nueva investigación, un equipo de la Universidad de Minnesota estaba estudiando un material de película delgada llamado estannato de estroncio o SrSnO3. Durante su investigación, notaron la sorprendente formación de patrones de tablero de ajedrez a nanoescala similares a las estructuras de metamateriales fabricadas en el costoso, proceso de varios pasos.

"Al principio pensamos que esto debía ser un error, pero pronto se dio cuenta de que el patrón periódico es una mezcla de dos fases del mismo material con diferentes estructuras cristalinas ", dijo Bharat Jalan. el autor principal del estudio y experto en síntesis de materiales que es el presidente de Shell en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Universidad de Minnesota. "Después de consultar con colegas de la Universidad de Minnesota, Universidad de Georgia, y City University of New York, nos dimos cuenta de que es posible que hayamos descubierto algo bastante especial que potencialmente puede tener algunas aplicaciones únicas ".

El material se había organizado espontáneamente en una estructura ordenada a medida que cambiaba de una fase a otra. Durante lo que se llama un proceso de "transición de fase estructural de primer orden", el material pasó a una fase mixta en la que algunas partes del sistema completaron la transición y otras no.

"Estos patrones periódicos a nanoescala son la consecuencia directa de la transición de fase estructural de primer orden en este material, "dijo el profesor de ingeniería y mecánica aeroespacial de la Universidad de Minnesota, Richard James, coautor del estudio y profesor distinguido de la Universidad McKnight. "Por primera vez, nuestro trabajo permite una gran cantidad de posibilidades para utilizar transformaciones de fase estructural reversibles con sistemas nanoelectrónicos y fotónicos ".

De hecho, el equipo demostró un proceso por primera vez, autoensamblado, nanoestructura sintonizable para crear metamateriales en un solo paso. Los investigadores pudieron ajustar la capacidad de almacenar la propiedad de la carga eléctrica dentro de una sola película utilizando la temperatura y la longitud de onda del láser. Crearon efectivamente un material de cristal fotónico variable con una eficiencia del 99 por ciento.

Usando microscopios electrónicos de alta resolución, los investigadores confirmaron la estructura única del material.

"Observamos que los límites entre estas fases cristalográficas estaban claramente definidos a escala atómica, que es notable para un proceso autoensamblado, "dijo el profesor Andre Mkhoyan, un coautor del estudio, un experto en microscopía electrónica avanzada, y la Cátedra Ray D. y Mary T. Johnson / Mayon Plastics en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Universidad de Minnesota.

Los investigadores ahora están buscando aplicaciones futuras para su descubrimiento en dispositivos ópticos y electrónicos.

"Cuando comenzamos esta investigación, nunca pensamos en estas aplicaciones. Nos impulsó el estudio fundamental de la física del material, "Dijo Jalan." Ahora, de repente, parece que hemos abierto un área de investigación completamente nueva, que está impulsado por la posibilidad de muchas aplicaciones nuevas y emocionantes ".