Un metamaterial de récord

Investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología en Corea han publicado¹ esta semana su última creación: un nuevo metamaterial con el índice de refracción más grande jamás conseguido. Los científicos coreanos han elevado el récord hasta un increíble 38,6. El metamaterial en cuestión es un polímero con inserciones de aluminio y sus creadores piensan que podría tener importantes aplicaciones en el diagnóstico de cáncer o en controles de seguridad.

¿Se ha doblado el lápiz al meterlo en el agua? Noooo, 

son los rayos de luz los que se desvían al pasar del 

agua al aire —se refractan— y nos hacen creer que el 

lápiz está torcido (dominio público).

El índice de refracción se utiliza para describir cómo se desvía la luz al atravesar un material y se define como el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en ese material. Ya que la luz en el vacío alcanza la velocidad más alta que se puede conseguir en la naturaleza, el índice de refracción de cualquier material siempre es mayor que uno (en el caso del vacío, por la propia definición, es igual a uno).  La mayoría de sustancias se mueven en unos valores comprendidos entre uno y tres –el agua, por ejemplo, tiene 1,33 y el diamante 2,42-, con algunas excepciones, como el silicio, que casi llega a cuatro (3,96).

Si estos son los valores habituales de los índices de refracción, ¿cómo se ha podido alcanzar ese número tan enorme? La respuesta está en los metamateriales.

Más allá de los materiales

Los llamados metamateriales no se encuentran en la naturaleza. Son materiales creadas en el laboratorio, de forma artificial, a partir de elementos naturales, como oro, cobre, silicio o aluminio. El gran secreto de los metamateriales es que los científicos disponen estos elementos de manera minuciosa a escalas minúsculas, cientos de veces más pequeñas que el grosor de un pelo. De esta manera pueden manipular la luz en el interior de un metamaterial y conseguir que se comporte de forma distinta a como lo haría espontáneamente. La estructura del metamaterial, más que su composición, es la que determina sus propiedades ópticas.

Un ejemplo de metamaterial hecho a base de fibra
de vidrio con celdas de cobre de 5 mm de lado
(domino público).

En este caso, los investigadores coreanos han dispuesto celdas cuadradas de aluminio de algo menos de 60 µm de lado (un micrómetro es la millonésima parte del metro) formando un entramado cuadrado con una mínima separación entre una celda y su vecina. También han trabajado con oro en vez de aluminio, han modificado las dimensiones de las celdas y han superpuesto varias capas con esta disposición. En todos los casos han conseguido índices de refracción inusualmente altos, pero sin batir el récord de la configuración original.

Las extraordinarias propiedades del metamaterial no se manifiestan para cualquier tipo de luz, sino únicamente para la llamada radiación de terahertz, un tipo de ondas electromagnéticas que nuestros ojos no ven. En la naturaleza hay otros muchos tipos, como los rayos gamma, los rayos X, la radiación ultravioleta y las ondas de radio. La luz visible también es otra de ellas. Todas viajan a la velocidad de la luz, pero tienen propiedades físicas distintas. En particular, la radiación de terahertz presenta algunas características que la hacen muy interesante: atraviesa ropa, papel y plásticos, pero no metal y agua.

Aplicaciones potenciales

Una de las posibles aplicaciones de la radiación de terahertz serviría para detectar cáncer de piel que no sea visible al ojo humano. Como el tejido canceroso tiende a tener un contenido acuoso más alto que el tejido sano, la radiación de terahertz podría usarse para distinguir entre ambos. Sería una alternativa eficaz y no invasiva a las técnicas tradicionales de detección de este tipo de tumores.

La radiación de terahertz también podría utilizarse en los controles de seguridad para descubrir armas metálicas, evitando muchas de las falsas alarmas de los detectores actuales. Incluso podría determinar la composición química de compuestos, fundamental para detectar, por ejemplo, sustancias explosivas o drogas. Además, las últimas técnicas de seguridad desarrolladas hasta ahora, que usan rayos X para los escáneres corporales, tienen el inconveniente de que este tipo de radiación conlleva un riesgo para la salud. En cambio, la radiación de terahertz podría usarse sin peligro.

Los investigadores coreanos confían en que su flamante metamaterial ayude a hacer realidad alguna de las potenciales aplicaciones de la radiación de terahertz. El récord, eso sí, ya lo tienen en el bote.

NOTA: Esta entrada participa en la XVI Edición del Carnaval de la Física, cuyo anfitrión es tecnoloxia.org.

Referencias:

1. Muhan Choi, Seung Hoon Lee, Yushin Kim, Seung Beom Kang, Jonghwa Shin, Min Hwan Kwak, Kwang-Young Kang, Yong-Hee Lee, Namkyoo Park & Bumki Min, A terahertz metamaterial with unnaturally high refractive index. Nature 470, p. 369–373.