El campo de los metamateriales se trata de crear estructuras que tengan propiedades físicas que no se encuentran en la naturaleza. Predecir qué tipo de estructuras tendrían esos rasgos es un desafío; fabricarlos físicamente es otra muy distinta, ya que a menudo requieren una disposición precisa de los materiales constituyentes en las escalas más pequeñas.

Investigadores de la Universidad de Pennsylvania ahora han ideado una forma de producir metamateriales en masa que exhiben resonancia magnética en frecuencias ópticas. Llamadas "metamoléculas parecidas a la frambuesa" debido a su forma única, estas estructuras a nanoescala podrían usarse como bloques de construcción para metamateriales que podrían dispersar la luz como si tuvieran propiedades magnéticas, que podría ser relevante para aplicaciones en procesamiento óptico y manejo de señales. Estas metamoléculas parecidas a frambuesas reaccionan al campo magnético de la luz como lo hace un bucle de alambre con un imán oscilante.

Esta habilidad se deriva de la disposición precisa de las "drupelets, drupelets" de la metamolécula similar a la frambuesa "que se componen de nanopartículas de oro. Estos drupelets deben estar lo más cerca posible sin tocarse para no" cortocircuitar "los campos eléctricos ópticos que los rodean. A través de un proceso químico cuidadosamente diseñado que recubrió cada drupelet con un surfactante aislante, el equipo de Penn pudo espaciar estas nanopartículas a una distancia promedio de solo dos nanómetros.

Y debido a que el ensamblaje de las micropartículas de nanopartículas y el revestimiento de surfactante se puede realizar en un solo paso, Se pueden fabricar grandes cantidades de estas metamoléculas parecidas a frambuesas a la vez, en lugar de ser cuidadosamente ensamblados uno a la vez.

La investigación fue realizada por el autor principal Zhaoxia Qian, quien recientemente se graduó con un doctorado en química de la Facultad de Artes y Ciencias de Penn; Nader Engheta, el Profesor H. Nedwill Ramsey de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn; Zahra Fakhraai, profesor asistente de química en Penn Arts &Sciences; y So-Jung Park, ex profesor asociado del Departamento de Química, ahora es profesora de química en la Universidad de Mujeres Ewha de Corea del Sur. También contribuyeron Simon Hastings, quien recientemente se graduó con un doctorado en física, y el estudiante graduado de química Chen Li, junto con el especialista en investigación Brian Edwards y la estudiante universitaria visitante Christine K. McGinn, tanto de Ingeniería Eléctrica como de Sistemas.

Fue publicado en la revista ACS Nano .

Si uno toma un lazo de alambre y pasa un imán hacia arriba y hacia abajo por el centro, el campo magnético oscilante resultante impulsa electrones alrededor del cable, produciendo corriente eléctrica en el alambre. Ese principio está en juego en cada generador, que tiene imanes que oscilan alrededor de 50 hercios, o 50 veces por segundo. Pero, ¿y si este principio pudiera extenderse a frecuencias ópticas, del orden de 500 terahercios? En lugar de generar electricidad, el bucle podría manipular la luz visible.

"No se conocen materiales que tengan propiedades magnéticas en frecuencias ópticas, "Dijo Fahkraai." Si pudieras fabricar estructuras como esta, podrían ser bloques de construcción de metamateriales que podrían dispersar la luz como si tuvieran propiedades magnéticas ".

Engheta predijo que tal estructura era posible en 2006, y en los años intermedios, otros grupos de investigación han producido físicamente metamateriales que exhiben este rasgo. Tales estructuras eran en su mayoría anillos de nanopartículas de metal cuidadosamente construidos, espaciados sobre una superficie plana de modo que los electrones no pudieran moverse entre ellos.

"Porque el metal no se toca, "Engheta dijo, "Los electrones solo pueden oscilar dentro de partículas individuales y no pueden moverse de una nanopartícula a su vecina. Esto se conoce como corriente de desplazamiento. Es como hacer la onda en un estadio; ningún fan se mueve de su asiento, pero la ola se mueve en un círculo ".

Una configuración similar a la frambuesa, donde las nanopartículas se agrupan esféricamente alrededor de un núcleo, en lugar de un anillo, sería aún mejor, ya que una sección transversal de la frambuesa actúa como un anillo de nanopartículas sin importar en qué dirección se aplique el campo magnético. Otros investigadores han comenzado a pasar de las técnicas de ensamblaje mecánico al autoensamblaje químico de tales estructuras, pero se han topado con obstáculos.

El enfoque del equipo de Penn resuelve los problemas adoptando un enfoque sintético.

"La gente ha intentado hacer este tipo de estructuras en solución antes, típicamente mediante el ensamblaje de nanopartículas pre-sintetizadas, "Qian dijo, "pero es difícil lograr una alta densidad de nanopartículas empaquetadas a través de esa ruta".

"En nuestro caso, "Park dijo, "Generamos grupos de nanopartículas muy compactos mediante un enfoque sintético en el que el crecimiento y el ensamblaje de las nanopartículas ocurren simultáneamente. Un desafío en este enfoque sintético es que las nanopartículas en crecimiento tienden a formar una capa fusionada. En nuestro método, utilizamos un tensioactivo especial que forma un pero protegiendo fuertemente, capa alrededor de las nanopartículas, lo que evita que se toquen ".

El método sintético del equipo de Penn reduce parte de la complejidad que de otro modo conlleva la fabricación de estas metamoléculas parecidas a frambuesas.

"Es como hacer un guiso, "Dijo Engheta." Echas todo en una olla ".

Los ingredientes del guiso son esferas de poliestireno decoradas con pequeñas partículas de semillas de plata, nitrato de plata, sales de oro y agentes reductores que rompen esas sales y permiten que los átomos de oro formen nanopartículas. Todos estos ingredientes se colocan en una fórmula de crecimiento que contiene el tensioactivo aislante, que forma una capa delgada en el exterior de las nanopartículas de oro en crecimiento, amortiguándolos entre sí.

La investigación adicional sobre la química de los tensioactivos permitirá al equipo reducir aún más la distancia entre las nanopartículas. para fortalecer aún más las propiedades magnéticas de las metamoléculas de tipo frambuesa. Ese rasgo es fundamental para la capacidad de las estructuras para manipular la luz y, por lo tanto, usarse en dispositivos ópticos.

"Si desea fabricar inductores a frecuencias ópticas, "Fahkraai dijo, "se necesita algo que pueda responder a frecuencias muy altas. Cuanto más cerca podamos hacer las nanopartículas, cuanto más fuerte podamos hacer la dispersión de la luz debido a los efectos magnéticos ".