«Central a nanobot, ¿me recibe?»: Radios con nanotubos de carbono

Las cosas han cambiado mucho desde que Nikola Tesla comenzó a trabajar en la emisión de radiofrecuencias allá por 1891. Sin embargo -consideraciones tecnológicas al margen- la estructura funcional de un receptor de radio actual sigue siendo muy similar a la de aquellos enormes dispositivos en los que nuestros bisabuelos escuchaban telenovelas. Básicamente, un receptor de radio consta de una antena que recibe las transmisiones de radiofrecuencia, un sintonizador que filtra la señal dentro de una rango de frecuencias de interés, un amplificador que aumenta la potencia de la señal, y un desmodulador que extrae de la señal modulada de alta frecuencia la información contenida en dicha modulación, pasándola típicamente a un altavoz o dispositivo análogo. Gracias a la miniaturización de los componentes electrónicos, se ha conseguido reducir el tamaño de los receptores de radio de la escala del metro a la del milímetro.

Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California at Berkeley.

El siguiente paso lo acaban de dar K. Jensen y colaboradores, investigadores de la Universidad de Berkeley, reduciendo el tamaño del dispositivo a la escala de los 200nm, tal como describen en un artículo titulado

• Nanotube Radio

publicado en Nano Letters. La idea del diseño de Jensen et al. consiste en emplear un único nanotubo de carbono para realizar las funciones de los cuatro componentes funcionales de la radio descritos anteriormente. Este nanotubo se conecta a un electrodo y se sitúa en la proximidad del contraelectrodo, en un entorno de vacío. Al aplicar corriente continua al sistema, el extremo del nanotubo se carga negativamente, y lo sensibiliza a las oscilaciones del campo electromagnético. Esto hace que el nanotubo vibre al recibir las ondas de una transmisión electromagnética. No obstante, estas vibraciones son sólo significativas cuando la frecuencia de la onda coincide con la frecuencia natural de vibración del nanotubo, que puede ajustarse a voluntad durante la operación del dispositivo. La amplificación de la señal puede realizarse a través del ajuste de la corriente que alimenta el sistema, y la desmodulación se produce a través de las variaciones en el campo eléctrico emitido por el nanotubo.

Los autores del trabajo han estudiado visualmente el funcionamiento del sistema a través de un microscopio electrónico. Puede verse un ejemplo en el vídeo inferior, que muestra la recepción por parte del nanotubo de una emisión por radio del tema principal de La Guerra de las Galaxias. Como puede apreciarse, mientras el nanotubo no esta sintonizado con la frecuencia de la señal, éste es visible sin dificultad, pero en el momento en el que comienza la vibración en resonancia se pierde de vista (la frecuencia de la emisión es de 251 MHz). Éste y otros vídeos -como por ejemplo uno de la recepción de «Good Vibrations» de los Beach Boys, tema muy apropiado para la ocasión- están también disponibles con mayor calidad (formato Quicktime) en la página de material suplementario del artículo.

Este tipo de invenciones van más allá de lo que puede ser la simple construcción de dispositivos inalámbricos más pequeños o simples, abriendo la puerta a aplicaciones tales como nanodispositivos controlados por radio capaces de operar en ambientes como el interior del cuerpo humano.

(¡Gracias Paco!)

Micrografías: Arte al Microscopio Electrónico

Al amparo de la International Conference on Electron, Ion, and Photon Beam Technology and Nanofabrication se viene realizando en los últimos años un concurso de micrografías, fotografías tomadas al microscopio y que suelen capturar objetos cuyo tamaño va de unos nanómetros a unas micras. Algunas son realmente espectaculares, como por ejemplo las dos que siguen, un micro-Manhattan con rascacielos de dos micras de alto, y un inodoro en el que con suerte cabría un ejemplar de Escherichia coli.

Claro que aquellos con espíritu más geek encontrarán más atractivas una reproducción del USS Enterprise de 8.8 micras, o una prueba de que el lado oscuro de la fuerza opera en el rango de los 200 nanómetros (ir al final de la página). Como dice el slogan del concurso, una buena micrografía vale más que el megabyte que ocupa.

Computación in fluido: De la lógica de burbujas a los dispositivos microfluídicos inteligentes

Hace unos meses hablábamos de la creación de microjets mediante un haz láser, y cómo éstos se podrían emplear para controlar el flujo de líquido a través de canales microscópicos. Este tipo de procesos caen dentro del ámbito de los microfluidos, cuyas aplicaciones en biotecnología, ingeniería, física, etc. no hacen más que aumentar desde su emergencia en los años 90. Típicamente, los procesos en este área se basan en el empleo de sustancias líquidas que se hacen fluir por canales cuyo tamaño es del orden de micrómetros, usando dispositivos eléctricos o mecánicos para controlar el sistema (hay una presentación -muy interesante- de carácter general sobre el área aquí). De esta manera se pueden realizar reacciones químicas sumamente precisas de manera controlada y a gran velocidad.

De acuerdo con lo anterior, en un sistema como el descrito existe una clara distinción entre los materiales que intervienen en la reacción y los mecanismos de control de la misma. El siguiente paso es eliminar dicha distinción, o al menos minimizarla, haciendo que el propio flujo de los materiales contenga la información de control del proceso. Es lo que se denomina «lógica de burbujas microfluidica», y fue introducida por Manu Prakash y Neil Gershenfeld, ambos del MIT, en un artículo titulado

• Microfluidic Bubble Logic

publicado en Science. La idea básica es construir dispositivos con microcanales por cuyo interior fluye un líquido conductor (por ejemplo agua). En dicho líquido conductor se insertan gotas de otro líquido o burbujas de gas (nitrógeno en el trabajo descrito) cuya escala es de nanolitros. La dinámica del flujo de estas burbujas está determinada por dos cantidades adimensionales, el número de Reynolds y el número capilar. Usualmente la primera cantidad es muy baja, lo que indica que el flujo es laminar y simple. La segunda cantidad indica la relación entre la viscosidad y la tensión superficial, y determina si la burbuja se mantiene estable o se disgrega al llegar a una bifurcación en los canales. A grandes rasgos, cuando se produce una de estas bifurcaciones en los canales una burbuja desplazándose en el interior del fluido elige la rama que ofrece menos resistencia. Lo interesante es que cuando ocurre esto, el propio paso de la burbuja por el canal altera su resistencia (la aumenta), por lo que una burbuja que llegue después puede optar por la otra rama. Esto puede emplearse para construir circuitos lógicos mediante un adecuado diseño de los canales.

Credit: M. Prakash and N. Gershenfeld

Imaginemos por ejemplo el dispositivo ilustrado en la figura superior, en la que el canal inferior izquierdo es más ancho que el derecho, y ofrece por lo tanto menos resistencia. Una burbuja que llegue al punto de bifurcación desde la izquierda (A) o desde la derecha (B) optará por dicha rama, por lo que en la práctica esta rama computa A OR B. En caso de que lleguen burbujas de ambas ramas (dentro de una ventana de tiempo del orden de 0.5 ms en este ejemplo) , el paso de la primera burbuja por la rama inferior izquierda aumenta su resistencia, por lo que la siguiente pasa por la inferior derecha, que en la práctica computa A AND B. De manera análoga pueden diseñarse otras puertas lógicas, e incluso dispositivos más complejos como biestables, contadores, etc. Pueden verse diferentes vídeos (en formato MPG) de estos dispositivos aquí.

Un sistema como el descrito tiene el inconveniente de la velocidad en relación a su equivalente electrónico (1000 veces más rápido, aunque hay que decir que se puede reducir esta diferencia mediante la reducción de la escala de las burbujas), pero sigue siendo 100 veces más rápido que un sistema de control basado en válvulas y dispositivos externos. Pero sobre todo la gran ventaja de este tipo de sistemas es el hecho de que cada gota o burbuja puede llevar una carga química, lo que permite «programar» reacciones químicas muy complejas, y quien sabe si puede abrir la puerta en el futuro a dispositivos inteligentes en los que reacciones químicas internas alteren el flujo de control de manera dirigida. Esto sería de gran interés en química combinatoria o en diseño de fármacos, y ha llegado a hacer que surjan cuestiones de largo alcance, algunas de las cuales las plantea Irving R. Epstein, de la Brandeis University, en un trabajo titulado

• Can Droplets and Bubbles Think?

publicado en el mismo número de Science que el artículo anterior y que otro artículo de Michael J. Fuerstman y colaboradores, de la Universidad de Harvard y de la Academia Polaca de Ciencias, titulado

• Coding/Decoding and Reversibility of Droplet Trains in Microfluidic Networks

en el que muestran como la combinación de la no-linearidad de la dinámica de las burbujas al llegar a las bifurcaciones y la linearidad del flujo de líquido a través de los canales permite codificar y decodificar información (análoga o digital) en una secuencia de burbujas. Las posibilidades de estos dispositivos -en los que como Prakash y Gershenfeld comentan, se une química y computación- son realmente apasionantes.

Proyecto Avogadro: La Esfera Perfecta

A diferencia de otras magnitudes físicas como la longitud o el tiempo, la unidad de masa (el kilogramo) se define en términos de una medida-patrón. Concretamente, la referencia es un cilindro compuesto de una aleación de iridio y platino que se conserva en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (ubicada en Sèvres, cerca de París). Además de este patrón primario, hay copias que periódicamente se recalibran con el original. Evidentemente, sería ideal poder disponer de una definición de kilogramo que permitiera su reproducción sin necesidad de recurrir al patrón. Éste es el objetivo del Proyecto Avogadro.

El Proyecto Avogadro debe su nombre a Amedeo Avogadro, el físico y químico italiano que enunció la ahora conocida como Ley de Avogadro, y que puede enunciarse entre otras maneras como sigue:

«Volúmenes de gases diferentes medidos en las mismas condiciones de presión, volumen y temperatura, contienen igual número de moléculas»

En otras palabras, el volumen de un gas es proporcional al número de moléculas que contiene. Si consideramos un volumen tal que la masa del gas (en gramos) sea igual a la masa atómica de las moléculas que lo componen, encontramos que el número de moléculas es una constante, el número de Avogadro N_A (o el número de Loschmidt en la literatura científica alemana), cuyo valor es de 6.022·10²³ moléculas. A la cantidad de una sustancia (gaseosa o no) que contiene este número de moléculas se le denomina mol. Consideremos entonces un mol de carbono-12. Por su propia definición, su masa sería de 12 gramos, por lo que podría definirse un kilogramo como la masa de 1000N_A/12 moléculas de carbono-12. El problema es que esta definición no es útil por cuestiones prácticas: no es fácil ser capaces de determinar si tenemos ese número de moléculas de ese elemento en concreto. Sin embargo, la idea es buena, y en ella se centra el Proyecto Avogadro.

En lugar de carbono, el objeto del proyecto es el silicio, un elemento barato, fácil de conseguir y de purificar, y cuya estructura cristalina es sumamente regular. Esto es una gran ventaja, ya que es fácil hacer crecer un cristal de silicio, y si se puede determinar su volumen con la suficiente precisión, entonces se conocerá con gran exactitud el número de moléculas que contiene. Dado que N_A se conoce con una precisión de 0.1 ppm (partes por millón), es necesario ser capaces de determinar el volumen con una precisión análoga. Para ser precisos se está intentando confeccionar esferas de silicio de 9.63 cm de diámetro, con una precisión de 0.6 nm.

Esto es una tarea de gran dificultad, ya que una variación de temperatura de únicamente 2 mK hace que la dilatación exceda esta tolerancia. Además, por efecto de oxidación pueden formarse capas de monóxido y dióxido de silicio de 3-4 nm de espesor. Las mediciones han de hacerse pues en entornos sumamente controlados, y se debe prestar gran atención a la pureza del material. Así, el trabajo en equipo del proyecto comprende a un grupo en Rusia que está produciendo silicio-28 con una pureza del 99.99%. Un grupo en Alemania se encarga de fundir y hacer crecer cilindros de silicio, que son enviados a Australia para que a partir de los mismo se confeccionen esferas casi-perfectas (hasta ahora, la mínima desviación conseguida ha sido de 35 nm). Simultáneamente, científicos en Bélgica estudian la pureza del silicio-28, científicos italianos miden el espacio entre átomos, en los EE.UU. se estudia por qué surgen a veces huecos en la estructura cristalina, y en Alemania, Reino Unido y Japón se estudian métodos para medir el peso que eliminen el empuje de Arquímedes efectuado por el aire. Todo un complejo trabajo en equipo que hará posible que en el futuro cercano se pueda reproducir el patrón de masa por todo aquel que lo desee (y tenga los medios, claro).

De los zigurats a la nanotecnología

La relación entre la ciencia y la política es similar a un matrimonio de conveniencia: la mayor parte de la financiación científica se hace con fondos públicos, lo que implica que las directrices políticas puedan marcar líneas preferentes de investigación, y haya quien tenga que ajustar más o menos su agenda científica. Esto es algo con lo que hay que convivir. No es la situación ideal ni mucho menos, aunque en términos generales la cosa funciona más o menos (o al menos no funciona rematadamente mal). Un tema muy diferente es cuando la política abusa de la ciencia para sus propios fines, y llega incluso a convertirla en pseudociencia con tal de que sirva a sus propósitos. De esto hay ejemplos muy hirientes a lo largo de la Historia. Hay también otras ocasiones en las que el despropósito es tan grande que hasta llega a ser divertido.

Un ejemplo de lo anterior lo tenemos en una historia que una agencia de noticias iraní nos trae. El titular nos lo dice todo: los iraníes disfrutaban de nanotecnología hace 3000 años. ¿No está mal, verdad? Básicamente el tema es que unos científicos iraníes han estudiado las ruinas de Chogha Zanbil, uno de los pocos zigurats que se conservan fuera de Mesopotamia, y parte del patrimonio de la Humanidad según la UNESCO. Se trata de una construcción que se comenzó en el año 1250AC por el rey elamita Untash-Napirisha, y que sin duda representó un gran esfuerzo arquitectónico e ingenieril para la época. Según la mencionada agencia iraní, no acaba ahí la cosa, ya que -de acuerdo con el estudio que citan- la construcción ha perdurado gracias al uso de nanotecnología, y a la peculiar estructura atómica del metal empleado en las juntas, y que es algo que en EE.UU. y Japón se está estudiando ahora para proteger al cerebro de la peligrosa radiación de los teléfonos móviles. Más aún, no son una, sino dos las técnicas nanotecnológicas empleadas:

«According to Afrazeh, two nanotechnology techniques were implemented in Tchogha Zanbil ziggurat including nanoparticles which attract harmful rays from mobiles which are employed in structures, and nanoparticles which are used in colors.«

Aunque la primera impresión al leer la primera frase es que los antiguos arquitectos emplearon teléfonos móviles como material de construcción, creo que más bien hay que interpretar la frase «which attract … from mobiles» como si estuviese entre paréntesis. Eso no quita para que el párrafo sea digno de Erich von Däniken.

Lo que realmente trasluce en todo lo anterior -y es el mensaje que la agencia iraní quiere hacer llegar- está en una frase del mismo artículo: «nuestros ancestros fueron unos de los pioneros de la nanotecnología«. Se trata de un mecanismo de auto-afirmación, en un momento en el que el régimen iraní se siente amenazado. Es algo que se da en otros países como Corea del Norte, curiosamente también en relación a la nanotecnología, tal como Anders Sandberg comenta al hilo de la misma noticia. Hay que recordar asimismo como Irán se quejó también del tratamiento que se daba a los persas en la película 300. A la visto de lo anterior, quizá en algún momento descubramos que el ejército de Jerjes usaba rayos láser.

    

Creación de microjets mediante un haz láser

Hace tiempo que hablamos de metamateriales, y de cómo ofrecen muchas posibilidades para la construcción de mecanismos de ocultamiento, o para la construcción de superlentes por poner un par de ejemplos. La clave de este tipo de materiales «zurdos» es el hecho de que tienen un índice de refracción negativo, lo que da lugar a muchas de sus anti-intuitivas propiedades. No es necesario sin embargo producir este tipo de metamateriales para obtener resultados asombrosos y de la mayor utilidad, como un grupo de investigadores de las Universidades de Chicago y de Burdeos acaban de demostrar. Concretamente, han estudiado la creación de microjets en ciertos fluidos mediante la aplicación de un haz láser. El trabajo ha sido desarrollado por Robert Schroll y colaboradores, se titula

• Liquid Transport Due to Light Scattering

y ha sido aceptado para su publicación en Physics Review Letters. Básicamente el objeto del estudio es el siguiente: la interfaz de un líquido con el aire está siempre en un punto de equilibrio entre la tensión superficial y la fuerza de la gravedad. Una fuerza externa puede desplazar el punto de equilibrio, aunque para ello es necesario que sea significativamente fuerte en relación con las anteriores. Se sabe también que incluso un haz de luz puede producir cierta presión sobre una superficie, aunque en la práctica es despreciable si hablamos por ejemplo de agua y luz ambiental. Los autores han llevado sin embargo la situación a un escenario más extremo. En primer lugar, han considerado un fluido formado por un 70% de tolueno, un 17% de n-butanol, un 9% de agua, y un 4% de laurilsulfato de sodio. Este fluido tiene varias propiedades interesantes. Para empezar, exhibe un cambio de fase en torno a los 35ºC de temperatura, caracterizado por un cambio drástico de su índice de refracción. Por otra parte, su tensión superficial es sólo una millonésima parte de la del agua. Esto no sólo quiere decir que por supuesto si un mosquito se intentara posar en la superficie se iría irremisiblemente al fondo, sino que incluso la presión que la luz ejerce sobre la superficie puede abombarla. Imaginemos entonces que en lugar de luz ambiental dirigimos un haz de rayos láser contra el líquido. El resultado es el que se ve en la figura inferior.

Source: R.D. Schroll et al., Liquid Transport Due to Light Scattering

En la figura superior, la flecha indica la dirección de incidencia del rayo láser. Dependiendo de la potencia del haz, se produce no sólo un abombamiento en la superficie, sino que comienza a formarse un flujo de recirculación en el líquido. El motivo es que éste está en el punto crítico para el cambio de fase, por lo que el haz atraviesa microzonas de diferente índice de refracción. Se produce así una dispersión continua de los fotones que arrastra al líquido, y se autocontiene en el microjet mostrado. Si la profundidad del líquido es la suficiente, el microjet se inestabiliza a partir de una cierta longitud, dando lugar a las gotas que se aprecian en su extremo. Si por el contrario la profundidad es poca, el microjet alcanza el fondo y da lugar a un abombamiento aproximadamente simétrico del de la superficie.

Aunque no sea la primera vez que se plantea el uso de rayos láser en relación a procesos que se desarrollan a estas escalas -recordemos sin ir más lejos las nanogrúas de las que hablábamos hace algún tiempo- deben destacarse en cualquier caso las interesantísimas posibilidades que este tipo de estudio abre. Por ejemplo, en ámbitos biotecnológicos puede ser de sumo interés la posibilidad de controlar un flujo de líquido a través de un canal de dimensiones microscópicas, como las reseñadas aquí. Es otro pasito más hacia la nanotecnología que nos espera a la vuelta de la esquina.

El Demonio de Maxwell: nanogrúas impulsadas por láser

Las Leyes de la Termodinámica constituyen probablemente el conjunto más universal de principios a los que podemos asirnos para entender el mundo. A grandes rasgos, estas leyes nos dicen que (1) la energía de un sistema aislado es constante, (2) la entropía de un sistema aislado sólo puede aumentar, y (3) la entropía de un sistema alcanza una constante cuando su temperatura llega al cero absoluto. Estas tres leyes (hay una cuarta, definida en realidad como Ley Cero, que define la transitividad en el equilibrio térmico) fueron magistralmente reformuladas por el poeta Allen Ginsberg como (1) no puedes ganar, (2) tampoco puedes empatar, y (3) no puedes salirte del juego.

A pesar de estar tan fuertemente consolidadas en nuestra compresión empírica del Cosmos, la violación de estos principios ha sido siempre el oscuro objeto del deseo de innumerables científicos e/o inventores. El anhelo de conseguir máquinas de movimiento perpetuo es precisamente uno de los caballos de batalla de los que las Leyes de la Termodinámica vienen dando cumplida cuenta desde el principio de los tiempos. No siempre son chiflados los que se plantean la violación de estas leyes sin embargo. Aunque sólo sea como experimento mental, es usual abordar escenarios en los que estos principios se violan. Uno de los mejores y más clásicos ejemplos lo proporcionó el físico escocés James Clerk Maxwell, en lo que se vino a llamar el Demonio de Maxwell. En su experimento mental, Maxwell imagino un recipiente en cuyo interior había algún tipo de gas. Las moléculas del gas se moverían a diferentes velocidades individuales, pero tendrían en conjunto una velocidad promedio que daría lugar a la correspondiente temperatura. Si trazáramos una pared divisoria por la mitad del recipiente, incluyendo un orificio en la misma, las moléculas fluirían entre ambas mitades, haciendo que se alcanzara rápidamente el equilibrio térmico. Imaginemos ahora un cierto individuo cuyas facultades le permiten discernir las velocidades de cada molécula, y que es capaz de abrir o cerrar la ventana de comunicación entre las dos mitades del recipiente a voluntad. Podría abrirlo sólo cuando una molécula de alta velocidad fuera de, por ejemplo, la mitad izquierda a la mitad derecha, o una de baja velocidad fuera en sentido contrario. Al actuar así, rápidamente las moléculas de alta velocidad se acumularían en la mitad derecha, causando una rotura del equilibrio térmico, sin aparente uso de energía externa. Se estaría entonces violando la Segunda Ley de la Termodinámica, ya que la entropía del sistema habría descendido.

Como en todas las paradojas, hay que buscar la explicación en las suposiciones implícitas, en este caso que la apertura y cierre de la compuerta no consume energía externa, y que el propio proceso de observación y determinación de qué molécula debe dejarse pasar o no es también gratuito en términos energéticos. Parece claro que no es así, y que por lo tanto no se llega a violar nuestra apreciada Segunda Ley. En cualquier caso, este experimento mental ha servido de inspiración a muchos, y concretamente a un grupo de investigadores de la Universidad de Edimburgo, liderados por el Profesor David Leigh, que acaban de publicar en Nature un trabajo titulado:

• A Molecular Information Ratchet.

En este trabajo describen como un nanodispositivo de su invención puede emplear una fuente de energía externa (luz coherente en este caso) para controlar el movimiento de un anillo molecular dentro de un rotaxano. Básicamente lo que se consigue es definir una especie de anzuelo selectivo, que atrapa a las moléculas que se mueven en una cierta dirección.

Credit: Serreli et al. – (c) Nature Publishing Group

Las aplicaciones son inmensas desde el punto de vista nanotecnológico. Por ejemplo, en un futuro próximo mediante un puntero láser podremos ordenar a un enjambre de nanomáquinas que empujen un objeto en la dirección que deseemos. Se acabó tener que esperar un rato a que venga la grúa cuando se nos estropee el coche.

Las nanocápsulas, cada vez más cerca

En “El Otoño de las Estrellas”, la novela de Pedro Jorge y Miquel Barceló que reseñaba hace algún tiempo, hay un momento en la trama en la que uno de los protagonistas decide enfrentarse a la inhóspita superficie del planeta en el que vive (el protagonista es humano, y habita en unas colonias subterráneas, ya que periódicamente hay un extraño fenómeno en la superficie que arrasa todo lo que en ella se encuentre). Para ello, y en previsión de que la atmósfera se torne irrespirable o no sea posible encontrar sustento, se dota de reservas en forma de nanoesferas inyectadas en el caudal sanguíneo. El contenido de estas nanoesferas -comprimido a gran presión- le proporcionará el necesario soporte vital cuando lo necesite.

Esta idea, como otras tantas relacionadas con la nanotecnología, no es tecnológicamente factible por el momento, pero cada vez está más cerca. Uno de los problemas prácticos que plantea la construcción de nanoesferas es el hecho de que al intentar generarlas mediante la composición de partículas básicas, estas últimas tienen a agruparse de manera un tanto irregular, lo que dificulta mucho la obtención de una colección homogénea de nanoobjetos. Este problema puede que se esté empezando a resolver empleando el enfoque complementario: construir los nanoobjetos mediante la disgregación de objetos mayores. Esto es precisamente lo que Fan Li, Zhiyong Wang y Andreas Stein, de la Universidad de Minnesota, han conseguido, según comunican en un artículo titulado:

• Shaping Mesoporous Silica Nanoparticles by Disassembly of Hierarchically Porous Structures

y publicado en Angewandte Chemie. El método seguido consiste en construir una especie de molde mediante diminutas esferas de polimetilmetacrilato empaquetadas al máximo. Los huecos entre las esferas (que en este caso tienen forma de tetraedros y de octaedros) se rellenan de un compuesto que comienza a solidificarse. Cuando se destruyen las esferas (mediante calcinación), se obtiene una estructura de tetraedros y octaedros que con un adecuado tratamiento darán lugar a esferas y a cubos respectivamente.

Credit: Stein Research Group

El método es ingenioso, y puede abrir el camino a la generación de nanoobjetos con otras estructuras. La distancia entre la realidad y la ficción se sigue acortando a pasos agigantados.

Nuevos avances en metamateriales permitirán la construcción de superlentes

Los metamateriales vuelven a estar de actualidad. Hace algunos días comentábamos su relación con la invisibilidad: a mediados del año pasado se había conseguido invisibilizar a las microondas un disco metálico, y un estudio teórico mostraba cómo invisibilizar en todas las frecuencias a emisores activos de radiación electromagnética. Los avances en el campo no cesan, y justo se acaban de publicar dos trabajos titulados

• Negative-index metamaterial at 780 nm wavelength
• Negative Refractive Index at Optical Wavelengths

realizados por G. Dolling y colaboradores el primero (en la revista Optics Letters) y por C. M. Soukoulis y colaboradores el segundo (en la revista Science; los autores son los mismos del primer artículo, con la excepción de G. Dolling). Tal como se describe en estos trabajos, se ha conseguido por primera vez materiales con índices de refracción negativos en el espectro visible. La siguiente figura ilustra en qué consiste exactamente que el índice de refracción sea negativo.

Como puede verse, los rayos de luz refractados se curvan hacia el mismo lado que los rayos incidentes (medido en relación a la normal a la interfaz entre el metamaterial y el material normal). Puede verse una introducción bastante buena a este efecto, incluyendo algunas animaciones, en la página web del grupo de D.R. Smith (que ya se mencionó en relación a la invisibilidad).

En el caso de los trabajos mencionados anteriormente, la refracción negativa se ha conseguido a través de un metamaterial con estructura mallada y compuesto de plata. Concretamente, se trata de un sustrato de vidrio sobre el que se asienta una capa de plata y fluoruro de magnesio, y en la que se realizan perforaciones de 100 nm de tamaño. Esta composición supone un gran avance en relación a intentos anteriores basados en nanobarras de oro, debido a la menor resistencia eléctrica del material. Más aún, el haber logrado esta refracción negativa en el espectro visible abre la puerta al desarrollo de superlentes (lentes que superan el límite de difracción), cuya superior resolución permitiría construir dispositivos que podrían observar el interior de una célula, o diagnosticar enfermedades a bebés aún en el útero.

La invisibilidad, un poco más cerca

Conseguir la invisibilidad de un objeto o persona es un anhelo bastante antiguo, pero poco a poco la tecnología va dando pasos hacia su consecución. El último avance lo puede haber conseguido Allan Greenleaf, catedrático de matematicas en la Universidad de Rochester, y colaboradores, con un trabajo titulado:

• Full-wave invisibility of active devices at all frequencies

Para entender lo que el Prof. Greenleaf y su equipo proponen, es preciso recapitular brevemente el estado de la cuestión. Básicamente, para alcanzar la invisibilidad es preciso aislar una región espacial de todo tipo de ondas electromagnéticas (aunque en principio, también podríamos simplemente concentrarnos en el espectro visible, y dejar que dicha región fuera visible a infrarrojos, ultravioletas, microondas, etc.). Concretamente, es necesario «apantallar» la zona deseada, de manera que no sólo no absorba radiación en el espectro deseado, sino que además la redirija en la hipotética trayectoria que tomaría si no hubiera ningún objeto en su camino. Obviamente, esto es muy complicado, y de hecho, imposible de conseguir con total perfección, pero pueden conseguirse aproximaciones razonablemente buenas (algo parecido al dispositivo de camuflaje del alienígena de la película «Depredador«, que proporciona una especie de transparencia distorsionada, difícil de distinguir del entorno).

La clave para conseguir un tipo de apantallamiento como el descrito reside en el uso de metamateriales, objetos cuyas propiedades electromagnéticas no dependen de su composición, sino de su estructura. Concretamente, las características estructurales del material han de tener un tamaño del orden de la longitud de onda con la que se desea que interactúe (y en la práctica mucho menores). En el caso de la luz visible, estaríamos hablando de entre 400 nm y 700 nm, lo que implica un desafío nanotecnológico. Algo más modesto como las microondas requiere una escala estructural de centímetros (la longitud de onda de un horno de microondas doméstico puede estar en torno a los 12 cm). Precisamente, a mediados de este año, un equipo de investigadores liderados por David R. Smith, de la Universidad de Duke, publicaron un artículo en Science titulado

• Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies

en el que mostraron en la práctica cómo podía conseguirse invisibilidad a ciertas bandas de las microondas por este procedimiento.

En la línea de este último trabajo, el Prof. Greenleaf y colaboradores han estudiado teóricamente un caso más general, en el que no sólo se quiere invisibilizar un objeto a todas las frecuencias electromagnéticas, sino que se quiere que el apantallamiento funcione también en el caso en el que el propio objeto sea un emisor activo de radiación (por ejemplo, un teléfono móvil). Su análisis revela que en este último caso, las ecuaciones divergen en los bordes de la zona apantallada, lo que indica que la generalización del enfoque usado por el Prof. Smith y colaboradores es problemática. Sin embargo, si se añade una cubierta conductora de electricidad de características apropiadas, o si se usa un sistema de doble apantallamiento (uno hacia el exterior, y otro hacia el interior) cuidadosamente ajustado, el problema se resuelve.

Hay que tomar estos resultados con cierta precaución, ya que aún no se ha completado el proceso de revisión, pero las perspectivas que se abren son ciertamente interesantes. Habrá que ver, eso sí, hasta qué punto es realizable en la práctica esta nueva propuesta. Quizás lo sepamos pronto.