En un subsótano muy por debajo del Laboratorio de Ciencia e Ingeniería Integradas de la Universidad de Harvard, Mikhail Kats se viste. Cubrezapatos de malla, una mascarilla, una redecilla para el cabello, un mono gris pálido, botas de tela hasta la rodilla, Guantes de vinilo, gafas protectoras, y una capucha con broches en el cuello; estos no son para protegerlo, Kats explica, sino para proteger los delicados equipos y materiales dentro de la sala limpia.

Mientras obtenía su Ph.D. en física aplicada en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard, Kats ha pasado innumerables horas en esta instalación de vanguardia. Con su consejero, Federico Capasso, el profesor Robert L. Wallace de física aplicada y el investigador principal de Vinton Hayes en ingeniería eléctrica, Kats ha contribuido a algunos avances asombrosos.

Uno es un metamaterial que absorbe el 99,75 por ciento de la luz infrarroja, muy útil para los dispositivos de imágenes térmicas. Otro es ultradelgado Lente plana que enfoca la luz sin impartir las distorsiones de las lentes convencionales. Y el equipo ha producido rayos de vórtice, rayos de luz que se asemejan a un sacacorchos, que podría ayudar a las empresas de comunicaciones a transmitir más datos a través de un ancho de banda limitado.

Sin duda, el avance más colorido que ha surgido del laboratorio de Capasso, sin embargo, es una técnica que recubre un objeto metálico con una capa extremadamente delgada de semiconductor, solo unos pocos nanómetros de espesor. Aunque el semiconductor es de un color gris acerado, el objeto termina brillando en tonos vibrantes. Eso es porque el recubrimiento aprovecha los efectos de interferencia en las películas delgadas; Kats lo compara con los arcoíris iridiscentes que son visibles cuando el aceite flota en el agua. Cuidadosamente afinado en el laboratorio, estos revestimientos pueden producir un brillo, rosa sólido o decir, un azul vivo, utilizando los mismos dos metales, aplicado con sólo unos pocos átomos de diferencia de espesor.

El grupo de investigación de Capasso anunció el hallazgo en 2012, pero en ese momento, solo habían demostrado el recubrimiento en relativamente liso, superficies planas como silicona. Este otoño, el grupo publicó un segundo artículo, en el diario Letras de física aplicada , llevando el trabajo mucho más lejos.

"Corté un trozo de papel de mi cuaderno y deposité oro y germanio en él, "Kats dice, "y funcionó de todos modos".

Ese hallazgo, engañosamente simple dada la física involucrada, ahora sugiere que los recubrimientos ultrafinos podrían aplicarse esencialmente a cualquier material áspero o flexible, desde telas para vestir hasta dispositivos electrónicos elásticos.

"Esto puede verse como una forma de colorear casi cualquier objeto usando solo una pequeña cantidad de material, "Dice Capasso.

No era obvio que los mismos efectos de color serían visibles en sustratos rugosos, porque los efectos de interferencia suelen ser muy sensibles al ángulo de luz. Y en una hoja de papel Kats explica, "Hay colinas y valles y fibras y pequeñas cosas que sobresalen, por eso no puedes ver tu reflejo en él. La luz se dispersa".

Por otra parte, las películas aplicadas son tan extremadamente delgadas que interactúan con la luz casi instantáneamente, mirando el revestimiento de frente o de lado, o bien, como resulta, mirar esas imperfecciones ásperas en el papel, no hace mucha diferencia en el color. Y el papel permanece flexible como siempre.

Demostrando la técnica en la sala blanca del Centro de sistemas a nanoescala, una instalación de investigación apoyada por la National Science Foundation en Harvard, Kats utiliza una máquina llamada evaporador de haz de electrones para aplicar el revestimiento de oro y germanio. Sella la muestra de papel dentro de la cámara de la máquina, y una bomba succiona el aire hasta que la presión cae a un asombroso 10 ^-6 Torr (una milmillonésima parte de una atmósfera). Una corriente de electrones golpea una pieza de oro contenida en un crisol de carbono, y el metal se vaporiza, viajando hacia arriba a través de la aspiradora hasta que golpea el papel. Repitiendo el proceso, Kats agrega la segunda capa. Un poco más o un poco menos de germanio marca la diferencia entre índigo y carmesí.

Esta técnica de laboratorio en particular, Kats señala, es unidireccional, por lo que, a simple vista, las diferencias muy sutiles en el color son visibles en diferentes ángulos, donde un poco menos de metal ha aterrizado en los lados de las crestas y valles del papel. "Puedes imaginar aplicaciones decorativas en las que quizás quieras algo que tenga un poco de este aspecto nacarado, donde miras desde diferentes ángulos y ves un tono diferente, ", señala." Pero si fuéramos a la puerta de al lado y usáramos un sputterer reactivo en lugar de este evaporador de haz de electrones, fácilmente podríamos obtener un recubrimiento que se adapte a la superficie, y no verías ninguna diferencia ".

Son posibles muchas combinaciones diferentes de metales, también. "El germanio es barato. El oro es más caro, por supuesto, pero en la práctica no usamos mucho, "Explica Kats. El equipo de Capasso también ha demostrado la técnica utilizando aluminio.

"Esta es una forma de colorear algo con una capa muy fina de material, entonces, en principio, si es un metal para empezar, solo puedes usar 10 nanómetros para colorearlo, y si no lo es puede depositar un metal de 30 nm de espesor y luego otros 10 nm. Eso es mucho más delgado que una capa de pintura convencional que podría tener entre una micra y 10 micras de espesor ".

En esas situaciones ocasionales en las que importa el peso de la pintura, esto podría ser muy significativo. Capasso recuerda, por ejemplo, que el tanque de combustible externo del transbordador espacial de la NASA solía estar pintado de blanco. Después de las dos primeras misiones, los ingenieros dejaron de pintarlo y ahorraron 600 libras de peso.

Debido a que los revestimientos metálicos absorben mucha luz, reflejando solo un conjunto estrecho de longitudes de onda, Capasso sugiere que también podrían incorporarse en dispositivos optoelectrónicos como fotodetectores y células solares.

"El hecho de que estos se puedan depositar en sustratos flexibles tiene implicaciones para la optoelectrónica flexible y tal vez incluso estirable que podría ser parte de su ropa o podría enrollarse o doblarse, "Dice Capasso.

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard continúa buscando oportunidades comerciales para la nueva tecnología de recubrimiento de color y agradece el contacto de las partes interesadas.

Kats, quien concluye su puesto de investigación postdoctoral de un año en SEAS este mes, se convertirá en profesor asistente en la Universidad de Wisconsin, Madison, en Enero. Él atribuye gran parte de su éxito en física aplicada a esas muchas horas que pasó en las instalaciones de laboratorio de última generación de Harvard.

"Aprendes mucho mientras lo haces, "Dice Kats." Puedes ser creativo, descubre algo en el camino, aplique algo nuevo a su investigación. Es maravilloso que tengamos estudiantes y postdoctorados aquí haciendo cosas ".