Hay más espuma de lo que parece. Literalmente. Un estudio realizado por científicos de Princeton ha demostrado que un tipo de espuma que los científicos han estudiado durante mucho tiempo es capaz de bloquear determinadas longitudes de onda de luz, una propiedad codiciada para la tecnología de la información de próxima generación que utiliza luz en lugar de electricidad.

Los investigadores, integrando la experiencia de la ciencia de los materiales, química y física, llevó a cabo simulaciones computacionales exhaustivas de una estructura conocida como espuma Weaire-Phelan. Descubrieron que esta espuma permitiría que pasaran algunas frecuencias de luz mientras reflejaba completamente otras. Este bloqueo selectivo, conocida como banda prohibida fotónica, es similar al comportamiento de un semiconductor, el material fundamental detrás de toda la electrónica moderna debido a su capacidad para controlar el flujo de electrones a escalas extremadamente pequeñas.

"Tiene la propiedad que queremos:un espejo omnidireccional para un cierto rango de frecuencias, "dijo Salvatore Torquato, profesor de química y del Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales de Princeton. Torquato, el profesor Lewis Bernard de Ciencias Naturales, publicó los resultados el 6 de noviembre en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , con los coautores Michael Klatt, un investigador postdoctoral, y el físico Paul Steinhardt, quien es el profesor de ciencias Albert Einstein de Princeton.

Si bien anteriormente se han mostrado numerosos ejemplos de espacios de banda fotónica en varios tipos de cristales, los investigadores creen que su nuevo hallazgo es el primer ejemplo en una espuma, similar a la espuma de las pompas de jabón o una cerveza de barril. Sin embargo, a diferencia de la espuma desordenada de la cerveza, la espuma Weaire-Phelan es un arreglo estructurado con precisión con profundas raíces en las matemáticas y la física.

Los orígenes de la espuma Weaire-Phelan se remontan a 1887 cuando el físico escocés Lord Kelvin propuso una estructura para el "éter, "la sustancia misteriosa que entonces se pensaba que comprendía una estructura de fondo para todo el espacio. Aunque el concepto del éter ya estaba cayendo en desgracia en ese momento, La espuma propuesta por Kelvin siguió intrigando a los matemáticos durante un siglo porque parecía ser la forma más eficiente de llenar el espacio con formas geométricas entrelazadas que tienen la menor superficie posible.

En 1993, Los físicos Denis Weaire y Robert Phelan encontraron una disposición alternativa que requiere un área de superficie ligeramente menor. Desde entonces, interés en la estructura de Weaire-Phelan estaba principalmente en las matemáticas, comunidades físicas y artísticas. La estructura se utilizó como la pared exterior del "Cubo de agua de Beijing" creado para los Juegos Olímpicos de 2008. El nuevo hallazgo ahora hace que la estructura sea de interés para los científicos y tecnólogos de materiales.

"Empiezas con un clásico, hermoso problema en geometría, en matemáticas, y ahora, de repente, tienes este material que abre una banda prohibida fotónica, "Dijo Torquato.

Torquato, Klatt y Steinhardt se interesaron por la espuma Weaire-Phelan como tangente de otro proyecto en el que estaban investigando materiales desordenados "hiperuniformes" como una forma innovadora de controlar la luz. Aunque no es su enfoque original, los tres se dieron cuenta de que esta espuma estructurada con precisión tenía propiedades intrigantes.

"Poco a poco, se hizo evidente que había algo interesante aquí, "Torquato dijo." Y finalmente dijimos, "OK, dejemos el proyecto principal a un lado por un tiempo para continuar con esto "".

"Esté siempre atento a lo que está en el camino de la investigación, "Agregó Klatt.

Weaire, que no participó en este nuevo hallazgo, dijo que el descubrimiento de Princeton es parte de un creciente interés en el material desde que él y Phelan lo descubrieron. Dijo que el posible nuevo uso en óptica probablemente se deba a que el material es muy isotrópico, o no tener propiedades fuertemente direccionales.

"El hecho de que muestre una banda prohibida fotónica es muy interesante porque resulta tener muchas propiedades especiales, "dijo Andrew Kraynik, un experto en espumas que obtuvo su Ph.D. en ingeniería química de Princeton en 1977 y ha estudiado la espuma de Weaire-Phelan extensamente, pero no participó en el estudio de Princeton. Otra conexión de Princeton, dijo Kraynik, es que una herramienta clave para descubrir y analizar la espuma Weaire-Phelan es una herramienta de software llamada Surface Evolver, que optimiza las formas de acuerdo con sus propiedades superficiales y fue escrito por Ken Brakke, quien obtuvo su Ph.D. en matemáticas en Princeton en 1975.

Para mostrar que la espuma Weaire-Phelan exhibía las propiedades de control de la luz que estaban buscando, Klatt desarrolló un meticuloso conjunto de cálculos que ejecutó en las instalaciones de supercomputación del Instituto de Ciencias e Ingeniería Computacional de Princeton.

"Los programas que tuvo que ejecutar son realmente intensivos en computación, "Dijo Torquato.

El trabajo abre numerosas posibilidades para futuras invenciones, dijeron los investigadores, quien denominó la nueva área de trabajo como "foamtónicos" (una mezcla de "espuma" y "fotónica"). Debido a que las espumas se producen de forma natural y son relativamente fáciles de hacer, un posible objetivo sería persuadir a las materias primas para que se autoorganicen en la disposición precisa de la espuma Weaire-Phelan, Dijo Torquato.

Con un mayor desarrollo, la espuma podría transportar y manipular la luz utilizada en telecomunicaciones. Actualmente, gran parte de los datos que atraviesan Internet son transportados por fibras de vidrio. Sin embargo, en su destino, la luz se convierte de nuevo en electricidad. Los materiales de banda prohibida fotónica podrían guiar la luz con mucha más precisión que los cables de fibra óptica convencionales y podrían servir como transistores ópticos que realizan cálculos utilizando luz.

"¿Quién sabe?" dijo Torquato. "Una vez que tenga esto como resultado, luego ofrece desafíos experimentales para el futuro ".