METAMATERIALES

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Los   METAMATERIALES se usan, en la práctica, para el empleo de diversas estructuras que son periódicas y que a la vez realizan una combinación de los medios físicos como son Permisividad Eléctrica y Permeabilidad Magnética pero en este caso invirtiendo la Ley de Snell,  ahora el Índice de Refracción será negativo y esta propiedad convierte su comportamiento de manera totalmente inusual. Estos materiales han sido tema de investigación para muchos científicos en diferentes sectores, tales como la Óptica, la Nanotecnología y muy especialmente en las Telecomunicaciones, fundamentalmente en la fabricación de diversas antenas.

Introducción a los METAMATERIALES

 Con lo expuesto se puede pensar que una definición de METAMATERIAL pudiera ser la de un material artificial con propiedades electromagnéticas inusuales, que no se dan en medios naturales conocidos y cuyas características proceden de la estructura diseñada y difieren de las de sus componentes y que generalmente se trate de estructuras periódicas con dimensiones menores que la longitud de onda incidente, de modo que la estructura diseñada se comporte como un medio efectivo y pueda ser modelada por parámetros globales de permisividad, permeabilidad, índice de refracción, etc.             

 La Permisividad Eléctrica Negativa era lograda por un montaje de alambres metálicos finos alineados a lo largo de la dirección de propagación de la onda. Si la geometría y la orientación del montaje era la adecuada, el comportamiento de este podía verse como la resonancia plasma en un metal y este montaje presenta un comportamiento paso alto equivalente a un medio con permisividad negativa.

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Montaje de alambres finos para lograr un medio con permisividad negativa.

En el caso de un metal, la respuesta en frecuencia a un campo electromagnético está dada por la resonancia plasma del gas de electrones.

 

Medios con Permeabilidad Magnética Negativa, SRR.

Podemos decir que implica ungran reto el poder obtener un medio con Permeabilidad Magnética Negativa,  se describe como el comportamiento de los SRRs (Split Ring Resonators), los cuales consisten en dos anillos de metal concéntricos con pequeñas aberturas en posiciones opuestas.

Los SRRs son los que logran por primera vez obtener valores efectivos de Permeabilidad Magnética Negativa. Por ello cuando se aplica un campo magnético variable axial a la estructura, la f.e.m. (fuerza electro motriz) inducida genera una corriente en los anillos (Aunque la estructura también puede ser excitada mediante un campo eléctrico variable a lo largo del eje “Y”, ver figura abajo), debido a la cercanía entre los anillos hay una capacidad distribuida entre ellos y el circuito queda cerrado. Los conductores introducen un comportamiento inductivo, que junto con la capacidad distribuida entre los anillos producirá un comportamiento resonante similar a un circuito LC.

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Split Ring Resonator y su circuito equivalente.

En un montaje periódico de SRRs, el carácter resonante de estos provocará que se inhiba la propagación de la señal en un determinado rango de frecuencias. Este efecto es resultado de que la estructura presenta valores negativos de permeabilidad magnética efectiva, al menos en una estrecha banda de frecuencias.

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Algunos de los primeros medios obtenidos mediante la combinación de postes metálicos y SRR.

 

Cristales electromagnéticos

Los cristales fotónicos son un montaje periódico de átomos o moléculas. La geometría de los cristales va a definir muchas de sus propiedades conductivas, el período es comparable con la longitud de onda que se propaga en el medio por lo que se producirán fenómenos de interferencia, que dan lugar a la inhibición de la transmisión de la señal para determinadas bandas de frecuencias y en determinadas direcciones.

El equivalente electromagnético de los cristales fotónicos son los cristales electromagnéticos (Electromagnetic Band Gaps, EBG), en los cuales la periodicidad se produce mediante la variación de parámetros macroscópicos.

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Estructura de un cristal electromagnético: a) unidimensional, b) bidimensional, c) tridimensional.

Estos tienen la capacidad de inhibir la propagación en determinadas bandas de frecuencias y direcciones. El comportamiento de un Cristal Electromagnético unidimensional puede ser fácilmente analizado considerándolo como un dieléctrico multicapa, con valores alternados de índice de refracción y espesores de un cuarto de longitud de onda. Así, para determinadas frecuencias, todas las ondas reflejadas interfieren constructivamente en la entrada.

Las características de los cristales electromagnéticos han propiciado que estos hayan sido aplicados en tecnología de microondas, para obtener altos niveles de rechazo de frecuencias y frecuencias de cortes bien definidas.

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Vista del plano tierra (izquierda) y del plano superior (derecha), de un modelo compacto de utilización de Photonic Band Gaps en tecnología de microcinta.

Los cristales electromagnéticos han sido implementados en tecnología de microcinta también mediante el grabado de círculos en el plano de tierra, siguiendo un patrón periódico bidimensional. En la siguiente figura se muestra una estructura donde solo se han necesitado tres filas de círculos para implementar un patrón bidimensional, aunque se ha demostrado que empleando únicamente la fila central de círculos se pueden obtener un desempeño similar.

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Estructura de Cristales Electromagnéticos en microcinta, a) vista superior e inferior de una estructura de tres líneas, b) prototipo 2-D y variante 1-D.

Importancia de los METAMATERIALES

La investigación sobre METAMATERIALES ha crecido exponencialmente. Los laboratorios de investigación de universidades e industrias tienen grupos dedicados al análisis, caracterización y aplicación de materiales.

En particular, estos materiales hacen posible realizar novedosos dispositivos de microondas como antenas de ondas de fuga en el modo dominante, lentes con Índice de Refracción Negativos, antenas resonadoras pequeñas y componentes de dos bandas que no eran posibles obtener antes. La importancia de los METAMATERIALES en la ingeniería y comunidad científica ha provocado formaciones de conferencias dedicadas solamente a la investigación de los metamateriales y publicaciones de muchos libros.

Aplicaciones de los METAMATERIALES

Para aplicaciones Ópticas, el tamaño de las partes que forman el METAMATERIAL varía desde nanómetros hasta un micrón, mientras que para aplicaciones en comunicaciones se necesitan tamaños de micrones a milímetros, los METAMATERIALES hoy en día tienen innumerables aplicaciones tanto en la rama Óptica como en la rama de las comunicaciones. A continuación cito algunas de ellas:

  1. Una de las aplicaciones más populares radica en la fabricación de lentes planas, en general la forma de las lentes Ópticas es lo que define sus propiedades y para algunas aplicaciones específicas la forma de la lente es complicada de fabricar.
  2. Se utilizan en la fabricación de antenas pequeñas de móviles o de satélites en los que se quieren agrupar un gran número de antenas en un espacio mínimo.
  3. Desarrollo de imágenes ópticas de altísima resolución y de nanocircuitos de ordenadores muy veloces.
  4. El uso de los Cristales Electromagnéticos permite la eliminación de bandas espurias en filtros de microondas, en el campo de los circuitos de microondas es habitual confinar la señal mediante la utilización de líneas de transmisión que suponen un medio guiado para la radiación que viaja a través de ellas.
  5. Se utilizan en el diseño de líneas de transmisión, acopladores, defasadores y circuitos híbridos con dos bandas de funcionamiento.
  6. Una de las principales aplicaciones de los METAMATERIALES es su empleo como antenas “leaky-wave” en un determinado rango de frecuencias, donde proporcionan un barrido completo de haz.
  7. Se emplean en estructuras planas como son las antenas de microcinta. En este tipo de antenas estas estructuras pueden tener varias aplicaciones. Una de estas aplicaciones puede ser el diseño de antenas de microcinta multifrecuencias (o sea trabajan con un número definido de frecuencias). Por otra parte, como se conoce, las antenas de microcinta con parche rectangular son de banda estrecha y la polarización es vertical. A raíz de esto último se han construido utilizando METAMATERIALES que no solo aumentan la banda de trabajo sino que también logran polarización horizontal.

Se puede decir que los METAMATERIALES son materiales compuestos con capacidades extraordinarias para curvar las ondas electromagnéticas. Todos los materiales naturales tienen un índice de refracción positivo que provoca que cuando incida la luz sobre ellos esta se desvíe y podamos ver los objetos tal y como son. Los METAMATERIALES no son materiales naturales, sino un compuesto que como resultado final tiene propiedades no encontradas en sustancias que se forman en la naturaleza, como por ejemplo el poseer una permisividad dieléctrica y una permeabilidad magnética negativa que provocan que el índice de refracción también sea negativo, existen varios tipos de METAMATERIALES pero los más conocidos son los LHM (Left Handed Materials).

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Empleo de los METAMATERIALES para algunos campos de la tecnología

 

  1. METAMATERIALES SOLARES.

Un grupo de investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) han creado unos materiales que podrían mejorar la eficiencia de las células solares, en un avance que podría llevar a cabo nuevas células solares que utilicen mejor la luz solar, se han diseñado unos materiales con la capacidad de doblar la luz visible en ángulos inusuales pero precisos, es importante destacar que a los mismos no le importa su polarización, lo cual nos lleva a pensar en resultados muy acelerados hacia el recubrimiento de células solares, las cuales serán totalmente transparentes utilizando los rayos del sol para dirigirlos hacia su área activa y esto mejorará la producción de energía solar.

El METAMATERIAL del Caltech es una película de metal de varios cientos de nanómetros de espesor, estas películas están grabadas con varias cavidades circulares, cada una de las cuales rodea una columna que podría parecer hecha de alambres del mismo material. El espacio entre el cable y la pared de la cavidad se rellena con un segundo metal, dependiendo de las dimensiones de los patrones, este material curva o refracta la luz de diferentes colores en mayor o menor grado.

Las películas descubiertas son conductores metálicos y también podrían servir como el electrodo superior de una célula solar. Algunos diseños de METAMATERIALES han resultado complejos de fabricar e incluyen una estructura de varias capas, estas películas de una sola capa se pueden hacer usando técnicas de litografía y grabado que son corrientes en la industria de fabricación de chips.

 

  1. MATERIALES EN: NANOTECNOLOGÍA, METAMATERIALES INTELIGENTES, BIOMÉTICOS E “INVISIBLES”

 

La NANOTECNOLOGÍA es un campo que ha resultado de una elevada  investigación para los científicos por las prestaciones y avances que ella trae implícito, por ello planteamos que es uno de los novedosos campos donde se aprecian cambios espectaculares en la fabricación de nuevos materiales, además es la ciencia de fabricar, controlar estructuras, máquinas a nivel y tamaño molecular que sean capaces de construir nuevos materiales átomo a átomo. Su unidad de medida es muy pequeña y se denomina nanómetro, la cual no es más que la milmillonésima parte de un metro (10-9m) y algunos de estos dispositivos se utilizan en la actualidad, por ejemplo podemos plantear uno muy sencillo, los nanotubos, pequeñas tuberías conformadas con átomos de carbono puro (GRAFENO) para diseñar todo tipo de ingenios de tamaño nanoscópico.

 

Existen METAMATERIALES compuestos cuyas propiedades físicas son distintas a la de sus constituyentes y algunos de ellos se fabrican con técnicas de nanotecnología similares a las que se usan para fabricar micromáquinas y circuitos integrados, una ventaja que ellas presentan es que con ellos se podrían fabricar lentes planas que permitirían enfocar la luz en áreas más pequeñas que la longitud de onda de la luz, con lo que se podría conseguir aplicaciones en el terreno de la Óptica o de las comunicaciones totalmente inéditas. Una de estas posibles aplicaciones serían los ordenadores ópticos, muchísimo más potentes y rápidos que los actuales, aunque su desarrollo se encuentra todavía en una fase muy preliminar.

 

MATERIALES INTELIGENTES revolucionarán la forma de concebir la síntesis de materiales, puesto que serán diseñados para responder a estímulos externos, extender su vida útil, ahorrar energía o simplemente ajustarse para ser más confortables al ser humano. Si en un futuro no muy lejano con respecto a como marcha la velocidad de la tecnología las investigaciones en el campo de los nanomateriales permitirán en el futuro emplear sistemas de liberación de fármacos ultra-precisos, nanomáquinas para micro fabricación, dispositivos nanoelectrónicos, tamices moleculares ultra-selectivos y nanomateriales para vehículos de altas prestaciones, estos materiales podrán replicarse y repararse así mismos, e incluso, si fuera necesario, autodestruirse, reduciéndose con ello los residuos y aumentando su eficiencia. Entre los materiales inteligentes que se están investigando se encuentran los músculos artificiales o los materiales que “sienten” sus propias fracturas.

 

Conclusiones

En resumen podemos plantear que a nivel mundial se realizan diferentes experimentos alrededor de estos excepcionales materiales y proponemos que el estudio de los mismos prevé un amplio avance en cuanto a la tecnología de los mismos para así poder lograr un significativo uso en un futuro no muy lejano de lo cual se encargara la nanotecnología y otras campos que lo superarán posteriormente.

Bibliografía

¨Left Handed Metamaterials for Microwave Engineering Applications¨, Departament of Electrical Engineering, UCLA.

F. Falcone. ¨Synthesis and applications of microwave Metamaterials in Planar Circuit Technology, From Electromagnetic Bandgaps to Left Handed Materials¨ Tesis Doctoral, Universidad de Navarra, 2005.

F. Falcone, T. Lopetegi, M.A.G. Laso, J. D. Baena , J. Bonache, M. Beruete, R. Marquéz, F. Martín, M. Sorolla. ¨Babinet Principle applied to the Design of Metasurfaces and Metamaterials.¨ Physical Review Letters, vol. 93, No. 19, 2004.

N. M. Litchinitser, V. M. Shalaev. ¨Negative Refraction.¨ McGraw-Hill Yearbook of Science and Technology, 2008.