(a) Cuando se coloca una fuente de luz dentro de la metacaja (aquí, en forma de Australia), la radiación está contenida en el interior. (b) Cuando una fuente de luz se encuentra fuera de la metacaja, la radiación no puede entrar. Crédito:Mirzaei, et al. © 2015 Sociedad Estadounidense de Física
(Phys.org) —Los físicos han construido una jaula de nanocables que bloquea una o más longitudes de onda de luz para que no entren o escapen, sin embargo, permite que los líquidos y gases pasen a través de los pequeños espacios entre los nanocables. La "metacaja óptica" aprovecha las propiedades ópticas de las estructuras de nanocables, y podría tener aplicaciones que incluyen la protección de microorganismos de la radiación, protegiendo ópticamente los componentes nanofotónicos, y administración de fármacos impulsada por láser.
Los investigadores, Ali Mirzaei, et al., en la Universidad Nacional de Australia, han publicado un artículo sobre la metacaja óptica en un número reciente de Cartas de revisión física .
"Hemos introducido una nueva clase de estructuras de blindaje ópticas y electromagnéticas basadas en nanocables, "Mirzaei dijo Phys.org . "Estas estructuras, que llamamos metacajas, puede proporcionar blindaje electromagnético de banda ancha o estrecha. Notablemente, Las metacajas se pueden diseñar con grandes espacios entre los nanocables, con suficiente espacio para que los líquidos y gases pasen libremente. La naturaleza discreta de las metacajas ofrece una gran flexibilidad en el diseño de estructuras de blindaje de formas casi arbitrarias ".
En algunas formas, la metacaja óptica es similar a una capa de invisibilidad, ya que ambos tipos de dispositivos protegen los objetos de la radiación electromagnética. Sin embargo, la metacaja óptica permanece visible mientras que las capas de invisibilidad no. También a diferencia de las capas de invisibilidad, la metacaja óptica puede proteger objetos de forma arbitraria, que los científicos demostraron construyendo una metacaja con la forma de Australia.
(a) La separatriz divide la región 1 (donde la luz es absorbida por el nanoalambre) y la región 2 (donde la luz fluye alrededor del nanoalambre). (b) Matriz de nanocables multicapa con un pequeño espacio entre ellos. (c) La luz está bloqueada por una cadena unidimensional de nanocables cuyas separatrices se superponen. (d) Los nanocables protegen un volumen cerrado, que puede tener una forma casi arbitraria. Crédito:Mirzaei, et al. © 2015 Sociedad Estadounidense de Física
La metacaja óptica puede estar hecha de diferentes tipos de nanocables (semiconductores, cerámica, o metales) con diferente número de capas, incluyendo estructuras de dos y tres capas. Los nanocables están espaciados de modo que los espacios entre ellos sean aproximadamente del tamaño del radio de los nanocables. La luz no puede pasar a través de estos huecos porque los nanocables absorben la luz que se encuentra dentro de este rango cercano. Las líneas limítrofes entre la región donde la luz está lo suficientemente cerca para ser absorbida por el nanoalambre y la región donde fluye alrededor del nanoalambre sin ser absorbida se denominan "separatrices".
Para evitar que la luz pase a través de la metacaja, los nanocables en sí mismos no tienen que superponerse, pero las separatrices de los nanocables adyacentes deben superponerse. Esta es la razón por la que la metacaja puede tener espacios sin dejar de bloquear la transmisión de luz. El cálculo de las separatrices requiere tener en cuenta no solo los nanocables individuales, sino también las interacciones entre múltiples nanocables.
La metacaja óptica puede diseñarse para bloquear una amplia gama de longitudes de onda ajustando el tamaño de los espacios. Al disminuir el tamaño del espacio a aproximadamente 5-20 nm, los investigadores demostraron que es posible proteger anchos de banda de hasta 600 nm, que es lo suficientemente grande para proteger todo el rango visible. Las metacajas también se pueden diseñar para bloquear dos longitudes de onda diferentes simultáneamente (como 440 nm y 600 nm), mientras deja pasar luz de otras longitudes de onda.
Aunque estas brechas son relativamente pequeñas, son lo suficientemente grandes como para permitir el paso de moléculas de líquido y gas. Esta capacidad hace que las metacajas sean prometedoras para aplicaciones biológicas, donde puedan usarse para proteger microorganismos vivos y células de la radiación, mientras permite que los nutrientes y el agua entren para mantener vivos a los seres vivos.
Las metacajas también podrían usarse en circuitos ópticos, donde podrían aislar ópticamente los componentes del circuito para eliminar interferencias no deseadas. Otra aplicación potencial es la administración de fármacos, donde las jaulas que contienen drogas podrían usarse para la liberación controlada de drogas.
En el futuro, los investigadores planean investigar más a fondo estas aplicaciones y diseñar nuevas configuraciones de metacajas.
"La idea de superponer las separatrices y bloquear la propagación de ondas mediante matrices de nanocables se puede expandir a otras nanoestructuras, como nanoesferas, que pueden formar metacajas 3D completas, "Dijo Mirzaei.
© 2015 Phys.org
