Un material de nanoarquitectura recién creado exhibe una propiedad que anteriormente solo era teóricamente posible:puede refractar la luz hacia atrás, independientemente del ángulo en el que la luz incida en el material.

Esta propiedad se conoce como refracción negativa y significa que el índice de refracción, la velocidad a la que la luz puede viajar a través de un material determinado, es negativo en una parte del espectro electromagnético en todos los ángulos.

La refracción es una propiedad común en los materiales; Piense en la forma en que una pajilla en un vaso de agua parece desplazada hacia un lado, o la forma en que las lentes de los anteojos enfocan la luz. Pero la refracción negativa no implica solo desplazar la luz unos pocos grados hacia un lado. Más bien, la luz se envía en un ángulo completamente opuesto al que ingresó al material. Esto no se ha observado en la naturaleza pero, a partir de la década de 1960, se teorizó que ocurría en los llamados materiales artificialmente periódicos, es decir, materiales construidos para tener un patrón estructural específico. Solo ahora los procesos de fabricación se han puesto al día con la teoría para hacer realidad la refracción negativa.

"La refracción negativa es crucial para el futuro de la nanofotónica, que busca comprender y manipular el comportamiento de la luz cuando interactúa con materiales o estructuras sólidas en las escalas más pequeñas posibles", dice Julia R. Greer, profesora Ruben F. y Donna Mettler de Caltech. de Ciencia de Materiales, Mecánica e Ingeniería Médica, y uno de los autores principales de un artículo que describe el nuevo material. El artículo fue publicado en Nano Letters el 21 de octubre.

El nuevo material logra su propiedad inusual a través de una combinación de organización a nanoescala y microescala y la adición de una capa de una película delgada de germanio metálico a través de un proceso que requiere mucho tiempo y mano de obra. Greer es pionera en la creación de dichos materiales de nanoarquitectura, o materiales cuya estructura está diseñada y organizada a escala nanométrica y que, en consecuencia, exhiben propiedades inusuales y a menudo sorprendentes, por ejemplo, cerámicas excepcionalmente livianas que recuperan su forma original. como una esponja, después de ser comprimida.

Bajo un microscopio electrónico, la estructura del nuevo material se asemeja a una red de cubos huecos. Cada cubo es tan pequeño que el ancho de las vigas que forman la estructura del cubo es 100 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. La red se construyó con un material de polímero, que es relativamente fácil de trabajar en la impresión 3D, y luego se recubrió con germanio metálico.

"La combinación de la estructura y el recubrimiento le dan a la red esta propiedad inusual", dice Ryan Ng (MS '16, Ph.D. '20), autor correspondiente del artículo de Nano Letters. Ng realizó esta investigación cuando era estudiante de posgrado en el laboratorio de Greer y ahora es investigador postdoctoral en el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología en España. El equipo de investigación se concentró en la estructura y el material de la red cúbica como la combinación correcta a través de un minucioso proceso de modelado por computadora (y el conocimiento de que el geranio es un material de alto índice).

Para recubrir el polímero uniformemente a esa escala con un metal, el equipo de investigación tuvo que desarrollar un método completamente nuevo. Al final, Ng, Greer y sus colegas utilizaron una técnica de pulverización catódica en la que se bombardeaba un disco de germanio con iones de alta energía que expulsaban átomos de germanio del disco a la superficie de la red de polímero. "No es fácil obtener una capa uniforme", dice Ng. "Tomó mucho tiempo y mucho esfuerzo optimizar este proceso".

La tecnología tiene aplicaciones potenciales para telecomunicaciones, imágenes médicas, camuflaje de radar e informática.

En una observación de 1965, el ex alumno de Caltech Gordon Moore (Ph.D. '54), miembro vitalicio de la Junta de Fideicomisarios de Caltech, predijo que los circuitos integrados serían el doble de complicados y la mitad de caros cada dos años. Sin embargo, debido a los límites fundamentales en la disipación de potencia y la densidad de transistores que permiten los semiconductores de silicio actuales, la escala predicha por la Ley de Moore debería terminar pronto. "Estamos llegando al final de nuestra capacidad para seguir la Ley de Moore; hacer transistores electrónicos tan pequeños como sea posible", dice Ng. El trabajo actual es un paso hacia la demostración de las propiedades ópticas que serían necesarias para habilitar los circuitos fotónicos 3D. Debido a que la luz se mueve mucho más rápido que los electrones, los circuitos fotónicos 3D, en teoría, serían mucho más rápidos que los tradicionales.

Las Nano letras El artículo se titula "Mapeo de dispersión en celosías de cristal fotónico de núcleo-capa tridimensionales capaces de refracción negativa en el infrarrojo medio". + Explora más

Nuevos materiales exhiben doble personalidad