Materiales fuertes, como el hormigón, suelen ser pesados, y materiales ligeros, como goma (para guantes de látex) y papel, suelen ser débiles y susceptibles a desgarros y daños. Julia R. Greer, profesor de ciencia y mecánica de materiales en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Caltech, está ayudando a romper ese vínculo.

P:¿A qué te dedicas?

R:Soy un científico de materiales, y trabajo con materiales cuyas dimensiones están a nanoescala. Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro, o alrededor de una cienmilésima parte del diámetro de un cabello. En esas dimensiones, materiales ordinarios como metales, cerámica, y los vidrios adquieren propiedades muy diferentes a sus contrapartes a granel. Muchos materiales se vuelven 10 veces más resistentes. Algunos se vuelven tolerantes al daño. El vidrio se rompe muy fácilmente en nuestro mundo, por ejemplo, pero a nanoescala, algunos vasos se vuelven deformables y menos quebradizos. Estamos tratando de aprovechar estos llamados efectos de tamaño para crear "metamateriales" que muestren estas propiedades a escalas que podamos ver.

Podemos fabricar prácticamente cualquier estructura que queramos con la ayuda de un instrumento especial que es como una microimpresora de mesa, pero usa pulsos de láser para "escribir" una estructura tridimensional en una pequeña gota de polímero. El láser "fija" el polímero en nuestro diseño tridimensional, creando un minúsculo andamio de plástico. Enjuagamos el polímero no fraguado y colocamos nuestro andamio en otra máquina que esencialmente lo envuelve en una capa muy delgada, cinta de nanómetros de espesor de las cosas que realmente nos interesan:un metal, un semiconductor, o un material biocompatible. Luego nos deshacemos del plástico, dejando solo la estructura tubular hueca entretejida. La estructura final es hueca, y no pesa nada. Es 99,9 por ciento de aire.

Incluso podemos hacer estructuras anidadas dentro de otras estructuras. Recientemente comenzamos a hacer nanotrusses jerárquicos:armaduras construidas a partir de armaduras más pequeñas, como un fractal.

P:¿Qué tan grande puedes hacer estas cosas? ¿Y a dónde podría llevarnos eso?

R:Ahora mismo, la mayoría de ellos tienen aproximadamente 100 por 100 por 100 micrones en cubos. Un micrón es una millonésima parte de un metro, por lo que es muy pequeño. Y las celdas unitarias, los bloques de construcción individuales, son muy, muy pequeños, de unos pocos micrones cada uno. Recientemente, les pedí a mis estudiantes de posgrado que crearan una demostración lo suficientemente grande para ser visible, para poder mostrarlo en seminarios. Me escribieron un objeto de unos 6 milímetros por 6 milímetros por unas 100 micras de altura. Les tomó alrededor de una semana escribir el polímero, no importa la deposición de la cinta y todos los demás pasos.

La pieza de demostración parece un pequeño cuadrado blanco desde la parte superior, hasta que lo acerques a la luz. Luego, un arco iris de colores juega en su superficie, y parece un ópalo fino. Eso es porque las nanoredes y los ópalos son cristales fotónicos, lo que significa que sus celdas unitarias tienen el tamaño adecuado para interactuar con la luz. Los cristales fotónicos tridimensionales sintéticos son relativamente difíciles de hacer, pero podrían resultar extremadamente útiles como conmutadores de alta velocidad para redes de fibra óptica.

Nuestro objetivo es encontrar una forma de producir nanoestructuras en masa que sean lo suficientemente grandes para verlas. Las posibilidades son infinitas. Podrías hacer una lente de contacto blanda que no se pueda rasgar, por ejemplo. O un muy ligero, material biocompatible muy seguro que podría entrar en el cuerpo de una persona como un andamio sobre el que crecer las células. O podría usar semiconductores para construir circuitos lógicos 3-D. Estamos trabajando con el profesor asistente de física aplicada y ciencia de los materiales Andrei Faraon [BS '04] para tratar de descubrir cómo escribir simultáneamente un montón de cosas que son todas de 1 centímetro por 1 centímetro.

P:¿Cómo llegaste a esta línea de trabajo? ¿Qué te hizo empezar?

R:Cuando llegué por primera vez a Caltech, Estaba trabajando en nanopilares metálicos. Ese era mi pan y mantequilla. Los nanopilares tienen entre 50 nanómetros y 1 micra de diámetro, y aproximadamente tres veces más alto que su ancho. Eran lo que solíamos demostrar por ejemplo, que lo más pequeño se vuelve más fuerte:los pilares eran más fuertes que el metal a granel en un orden de magnitud, que no es nada de lo que reírse.

Los nanopilares son increíbles, pero no puedes construir nada con ellos. Y siempre me pregunté si podría usar algo como ellos como nano-LEGO y construir objetos más grandes, como una nano-Torre Eiffel. La pregunta que me hice fue si cada componente individual tenía ese mismo, muy alta resistencia, ¿Toda la estructura sería increíblemente fuerte? Eso siempre estuvo en el fondo de mi mente. Luego conocí a algunas personas en DARPA (Defense Advanced en HRL (anteriormente Hughes Research Laboratories) que estaban interesadas en algunas preguntas similares, specifically about using architecture in material design. My HRL colleagues were making microscale structures called micro-trusses, so we started a very successful DARPA-funded collaboration to make even smaller trusses with unit cells in the micron range. These structures were still far too big for my purposes, but they brought this work closer to reality.