Albus Potter y el misterio de los metamateriales

Compartir

Cuando Albus Potter comenzó el tercer año en el Colegio Hogwarts de Magia y Hechicería decidió cursar Estudios Muggles.

En esa clase, los jóvenes magos estudiaban el mundo muggle, es decir, el mundo sin magia. La profesora Philomena Ives, encargada de dicha materia, era una bruja de padres muggles. A pesar de haber estudiado magia y de haber recibido numerosas ofertas de trabajo en el Departamento de Misterios del Ministerio de Magia, había decidido dedicarse a la ciencia muggle. Lo que parecía imposible en el mundo no mágico, era cosa común en el mundo de los magos. Por eso se había propuesto estudiar las formas en las que la ciencia pudiera replicar, o por lo menos aproximarse, a los artefactos mágicos más interesantes.

En una de sus primeras clases, Philomena descubrió que Albus poseía la capa de invisibilidad que había pertenecido a su padre. Sin más preámbulo, aquel día les habló de unos materiales muy particulares: los metamateriales.

Los metamateriales son aquellos materiales con una estructura artificial que poseen características que no se observan en la naturaleza. En general, su singularidad se relaciona con las propiedades electromagnéticas inusuales que exhiben. Su estudio es un campo relativamente reciente, fue apenas alrededor del año 2000 que la colaboración entre distintas áreas como la física, la ciencia de materiales, la óptica y la nanociencia, impulsó su desarrollo. Pareciera entonces que los metamateriales podrían ser la respuesta para la creación de una capa de invisibilidad como la de Albus Potter.

– Entonces, ¿los muggles también pueden hacerse invisibles? – preguntó Albus con asombro.

– Desafortunadamente, aún no – contestó la profesora – Todo se relaciona con la luz, y es lo que ahora estudiaremos…

Y se hizo la luz

En específico, el estudio de los metamateriales electromagnéticos busca crear un medio óptico que interactúe con la luz en formas que son imposibles en el mundo natural. Para comprender cómo funcionan, es necesario conocer un poco acerca de la luz. Entonces ¿qué es la luz?

El espectro electromagnético es el conjunto de ondas electromagnéticas con diferentes energías. Estas incluyen los rayos gamma y X, las radiaciones ultravioleta e infrarroja, las microondas, las ondas de radio y por supuesto, la luz visible. Lo que caracteriza a cada una de ellas es su longitud de onda, su frecuencia y su energía. Por ejemplo, las ondas de radio, pueden llegar tener longitudes de onda de hasta 100 kilómetros. Mientras que los rayos gamma que viajan a través del universo poseen longitudes muy pequeñas, de alrededor de 10 picómetros ¡Menores que el tamaño de un átomo de hidrógeno!

Figura 1. Diagrama del espectro electromagnético, mostrando longitud de onda, ejemplos, nombres, fuentes, frecuencia y energía (Fuente: Wikimedia Commons).

La luz visible es la que posee longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetros, es decir, un poco más pequeñas que una bacteria. Lo que hace especial a este rango de radiación es que puede interactuar con el ojo humano produciendo lo que para nosotros son los colores. Si consideramos que la luz es energía, el resultado de su interacción con la materia es lo que llamamos color. Cuando la luz incide sobre un objeto experimenta diferentes fenómenos entre los cuales destacan la absorción y la reflexión.

Cuando un cuerpo absorbe un rayo de luz casi toda esa energía se transforma en calor. Eso sucede, por ejemplo, cuando vestimos una playera negra. Relacionada con la absorción, se encuentra la reflexión. Imaginemos una manzana, ¿de qué color la vemos? ¿roja? Esto quiere decir que, de todas las ondas de luz visible que llegan a ella, las que poseen una longitud de onda asociada al color rojo (700 nanómetros) son reflejadas, mientras que el resto son absorbidas. Como tercer fenómeno tenemos la refracción. Esta ocurre cuando la luz pasa de un medio a otro con diferentes propiedades: del aire al agua o del aire a un vidrio, por ejemplo.

– Entonces, si todo lo que vemos interactúa con la luz ¿cómo se oculta un objeto? – preguntó otro de los estudiantes.

– Buena pregunta, Scorpius – dijo Philomena – Eso es lo que es interesante. Pensemos, si un cuerpo absorbe toda la luz visible que incide sobre él, el resultado es el color negro. Si, por el contrario, la refleja completamente observamos el color blanco. Pareciera un dilema sin solución…

Me ves, ahora no me ves

Como su nombre lo indica, la radiación electromagnética tiene dos componentes: uno eléctrico y otro magnético. Casi todos los materiales naturales solo afectan al primero, he aquí el secreto de los metamateriales. Se mencionó anteriormente que lo que se busca es crear un medio óptico que interactúe con la luz de forma inusual, y esto se logra creando materiales que afecten su componente magnético.

No sólo eso, la invisibilidad también se logra al generar ángulos de refracción inusitados. Si sumergimos un objeto en agua y lo miramos de frente, nos parecerá que se ha roto. Esta ilusión surge porque la luz que llega a la superficie del agua es difractada en cierto ángulo positivo una vez que cambia de medio. Los metamateriales son capaces de generar ángulos de refracción negativos, lo que cambia completamente la forma en que las ondas electromagnéticas se comportan.

Los metamateriales que buscan imitar una capa de invisibilidad son estructuras hechas de una red periódica de elementos donde el espacio entre ellos es menor que la longitud de onda de la radiación de la que se busca ocultar el cuerpo. Esto quiere decir que, para que un objeto sea invisible al ojo humano, la escala de aquellas subestructuras debe ser menor a 400 nanómetros. Todo un reto.

Figura 2. Metamaterial hecho con resonadores y cables de cobre (metal), montados en láminas interconectadas de fibra de vidrio (matriz dieléctrica) (Fuente: Wikimedia Commons).

En 2006, John Pendry y David Smith del Imperial College London en el Reino Unido, diseñaron con éxito un metamaterial en forma de una serie de anillos concéntricos de cobre. El dispositivo, opera como si se tratara de una roca en medio de un río que desvía el agua a su alrededor; solo que en lugar de agua, desvía ondas electromagnéticas en la región de las microondas.

Un metamaterial similar fue desarrollado por Hu Tao y su equipo de investigación en las universidades de Tufts y Boston en EUA. Ellos obtuvieron un metamaterial hecho de seda y resonadores de oro que se oculta de radiación en la región de los terahertz, esto es en la región infrarroja y de microondas del espectro electromagnético. La importancia de este proyecto en particular es el uso de seda, pues al ser un material biocompatible, abre la posibilidad de emplear estos materiales en el área médica.

Un tercer ejemplo que destaca es la capa de invisibilidad óptica desarrollada por Jason Valentine y su grupo en Berkeley, EUA. En su proyecto generaron una capa de invisibilidad nanométrica hecha de materiales dieléctricos únicamente y que es funcional para longitudes de onda entre 1400 y 1800 nanómetros. Cada vez más cerca de la parte visible del espectro.

– No había pensado en que los muggles tuvieran que ser tan ingeniosos… – comentó Albus cuando la clase estaba por concluir.

– El ingenio y la curiosidad son importantes, Albus. Y no solo para los muggles – contestó la profesora Ives – Así como éstos, existen otros estudios que intentan diseñar metamateriales no solo funcionales, sino que también puedan ser utilizados en la parte visible del espectro electromagnético. Si bien los muggles aún están lejos de producir una capa tan singular como la tuya, Albus, los esfuerzos continúan. Como dijo el escritor muggle Arthur C. Clarke: “Cualquier tecnología suficientemente avanzada es indistinguible de la magia”, y esa ha sido siempre una gran motivación.

Referencia

Fedotov, V. (2017). Metamaterials. En S. Kasap & P. Capper (Ed.), Handbook of Electronic and Photonic Materials. Suiza: Springer Nature.

Divulgadora invitada: Adriana Sierra Romero

Estudiante de doctorado en Queen´s University of Belfast, Reino Unido. Lectora y aspirante a escritora. Adriana es apasionada de la ciencia ficción y la fantasía por lo que busca explorar y compartir las formas inusuales en las que la ficción se entreteje con la realidad.

Divulgador científico. Matemático de formación, apasionado de la ciencia y la tecnología, sobre todo de los robots.

Be first to comment