La configuración experimental en el laboratorio de láser del profesor Eric Mazur en Harvard. Usando láseres de femtosegundos, Mazur y sus colegas han desarrollado un nuevo proceso de nanofabricación para su uso en la creación de metamateriales. Crédito:Eliza Grinnell, Harvard SEAS
Los investigadores en física aplicada han superado un obstáculo importante en el desarrollo de materiales avanzados, llamados metamateriales, que doblan la luz de formas inusuales.
Trabajando a una escala aplicable a la luz infrarroja, El equipo de Harvard ha utilizado pulsos de láser extremadamente cortos y potentes para crear patrones tridimensionales de pequeños puntos plateados dentro de un material. Esos puntos de metal suspendidos son esenciales para construir dispositivos futuristas como capas de invisibilidad.
El nuevo proceso de fabricación, descrito en la revista Letras de física aplicada , avanza la litografía de metales a nanoescala en tres dimensiones, y lo hace con una resolución lo suficientemente alta como para ser práctica para los metamateriales.
"Si desea un metamaterial masivo para luz visible e infrarroja, necesita incrustar partículas de plata u oro dentro de un dieléctrico, y necesitas hacerlo en 3D, con alta resolución, "dice el autor principal Kevin Vora, estudiante de posgrado en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard (SEAS).
"Este trabajo demuestra que podemos crear puntos plateados que están desconectados en x, y, yz, "Dice Vora." No hay otra técnica que te permita hacer eso de manera factible. Ser capaz de hacer patrones de nanoestructuras en 3D es un gran paso hacia el objetivo de hacer metamateriales a granel ".
Una nueva técnica de fabricación láser desarrollada en Harvard permite la creación de nanopartículas de plata dispuestas con precisión que se desconectan en 3-D y se apoyan en una matriz de polímero. La nueva técnica puede resultar crítica en el desarrollo de metamateriales. Crédito:Imagen cortesía de Kevin Vora
Vora trabaja en el laboratorio de Eric Mazur, Catedrático Balkanski de Física y Física Aplicada en SEAS. Por décadas, Mazur ha estado usando un equipo llamado láser de femtosegundos para investigar qué tan bien enfocado, poderosas ráfagas de luz pueden cambiar la electricidad, óptico, y propiedades físicas de un material.
Cuando un láser convencional brilla sobre un material transparente, la luz pasa directamente a través, con ligera refracción. El láser de femtosegundos es especial porque emite una ráfaga de fotones tan brillante como la superficie del sol en un destello que dura solo 50 cuatrilloneses (5 × 10 -14 ) de un segundo. En lugar de brillar a través del material, esa energía queda atrapada dentro de ella, excitando los electrones dentro del material y logrando un fenómeno conocido como absorción no lineal.
Dentro del bolsillo donde esa energía está atrapada puede tener lugar una reacción química, alterando permanentemente la estructura interna del material. El proceso se ha aprovechado previamente para la nanofabricación de metal simple en 2D y 3D.
"Normalmente, cuando la gente usa láseres de femtosegundos en la fabricación, están creando una estructura de pila de madera:algo apilado sobre otra cosa, siendo apoyado por algo más, "explica Mazur.
"Si quieres hacer una serie de puntos plateados, sin embargo, no pueden flotar en el espacio ".
En el nuevo proceso, Vora, Mazur, y sus colegas combinan nitrato de plata, agua, y un polímero llamado PVP en una solución, que hornean en un portaobjetos de vidrio. El polímero sólido luego contiene iones de plata, que son fotorreducidos por los pulsos de láser fuertemente enfocados para formar nanocristales de metal plateado, soportado por la matriz de polímero.
La necesidad de esta combinación particular de productos químicos, en las concentraciones adecuadas, no fue obvio en trabajos anteriores. Los investigadores a veces combinan nitrato de plata con agua para crear nanoestructuras de plata, pero ese proceso no proporciona soporte estructural para un patrón 3D. Otro proceso combina nitrato de plata, agua, PVP, y etanol, pero las muestras se oscurecen y degradan muy rápidamente al producir cristales de plata en todo el polímero.
Con etanol, la reacción ocurre demasiado rápida e incontrolablemente. El equipo de Mazur necesitaba cristales a nanoescala, distribuidos con precisión y aislados en 3D.
"Solo era cuestión de quitar ese reactivo, y tuvimos suerte "Dice Vora." Lo más sorprendente fue lo simple que es. Era cuestión de usar menos ".
