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La espuma ofrece una nueva forma de manipular la luz

Un estudio ha demostrado que un tipo de espuma puede bloquear longitudes de onda particulares de luz, una propiedad codiciada para la tecnología de información de próxima generación que utiliza luz en lugar de electricidad.
La espuma ofrece una nueva forma de manipular la luz
Luz reflejada en espuma. / RRSS.
Luz reflejada en espuma. / RRSS.

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Sara Rada

Sara Rada

La autora, SARA RADA, es colaboradora de MUNDIARIO. Comunicadora social venezolana, ejerce como redactora creativa y productora audiovisual en distintos medios digitales internacionales. @mundiario

Un estudio realizado por científicos de Princeton ha demostrado que un tipo de espuma estudiado durante mucho tiempo por científicos puede bloquear longitudes de onda particulares de luz, una propiedad codiciada para la tecnología de información de próxima generación que utiliza luz en lugar de electricidad.

Los investigadores, integrando la experiencia de la ciencia de los materiales, la química y la física, realizaron simulaciones computacionales exhaustivas de una estructura conocida como espuma Weaire-Phelan. Descubrieron que esta espuma permitiría el paso de algunas frecuencias de luz mientras reflejaba completamente otras. Este bloqueo selectivo, conocido como un intervalo de banda fotónica, es similar al comportamiento de un semiconductor, el material de base detrás de toda la electrónica moderna debido a su capacidad para controlar el flujo de electrones a escalas extremadamente pequeñas.

"Esto tiene la propiedad que queremos: un espejo omnidireccional para un cierto rango de frecuencias", dijo Salvatore Torquato, profesor de química y el Instituto Princeton de Ciencia y Tecnología de Materiales. Torquato, el profesor de ciencias naturales Lewis Bernard, publicó los resultados en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE UU con los coautores Michael Klatt, investigador postdoctoral y el físico Paul Steinhardt, profesor de ciencias de Albert Einstein de Princeton.

Si bien anteriormente se han mostrado numerosos ejemplos de brechas de banda fotónica en varios tipos de cristales, los investigadores creen que su nuevo hallazgo es el primer ejemplo en una espuma, similar a la espuma de las pompas de jabón o una cerveza de barril. Sin embargo, a diferencia de la espuma desordenada de la cerveza, la espuma Weaire-Phelan es un arreglo estructurado con precisión con raíces profundas en matemáticas y física.

Los orígenes de la espuma Weaire-Phelan se remontan a 1887 cuando el físico escocés Lord Kelvin propuso una estructura para el "éter", la misteriosa sustancia que luego se pensaba que abarcaba una estructura de fondo para todo el espacio. Aunque el concepto del éter ya estaba cayendo en desgracia en ese momento, la espuma propuesta de Kelvin llegó a intrigar a los matemáticos durante un siglo porque parecía ser la forma más eficiente de llenar el espacio con formas geométricas entrelazadas que tienen la menor superficie posible. .

En 1993, los físicos Denis Weaire y Robert Phelan encontraron un arreglo alternativo que requiere un poco menos de superficie. Desde entonces, el interés en la estructura de Weaire-Phelan se centró principalmente en las comunidades matemáticas, físicas y artísticas. La estructura se utilizó como la pared exterior del "Cubo de agua de Beijing" creado para los Juegos Olímpicos de 2008. El nuevo hallazgo ahora hace que la estructura sea de interés para los científicos y tecnólogos de materiales.

Torquato, Klatt y Steinhardt se interesaron en la espuma Weaire-Phelan como una tangente de otro proyecto en el que estaban investigando materiales desordenados "hiperuniformes" como una forma innovadora de controlar la luz. Aunque no era su enfoque original, los tres se dieron cuenta de que esta espuma estructurada con precisión tenía propiedades intrigantes.

Weaire, que no participó en este nuevo hallazgo, dijo que el descubrimiento de Princeton es parte de un interés cada vez mayor en el material desde que él y Phelan lo descubrieron. Dijo que el posible nuevo uso en óptica probablemente se deba a que el material es muy isotrópico o no tiene propiedades fuertemente direccionales.

"El hecho de que muestre una brecha de banda fotónica es muy interesante porque resulta que tiene muchas propiedades especiales", dijo Andrew Kraynik, un experto en espumas que obtuvo su doctorado en ingeniería química de Princeton en 1977 y ha estudiado la espuma Weaire-Phelan ampliamente, pero no participó en el estudio de Princeton. Otra conexión de Princeton, dijo Kraynik, es que una herramienta clave para descubrir y analizar la espuma Weaire-Phelan es una herramienta de software llamada Surface Evolver, que optimiza las formas según sus propiedades superficiales y fue escrita por Ken Brakke, quien obtuvo su doctorado en matemáticas en Princeton en 1975.

Para mostrar que la espuma Weaire-Phelan exhibía las propiedades de control de la luz que buscaban, Klatt desarrolló un conjunto meticuloso de cálculos que ejecutó en las instalaciones de supercomputación del Instituto Princeton de Ciencia e Ingeniería Computacional.

El trabajo abre numerosas posibilidades para una mayor invención, dijeron los investigadores, quienes denominaron la nueva área de trabajo como "foamónicos" (una combinación de "espuma" y "fotónica"). Debido a que las espumas se producen naturalmente y son relativamente fáciles de fabricar, un posible objetivo sería lograr que las materias primas se autoorganicen en la disposición precisa de la espuma Weaire-Phelan, dijo Torquato.

Con un mayor desarrollo, la espuma podría transportar y manipular la luz utilizada en las telecomunicaciones. Actualmente, gran parte de los datos que atraviesan Internet son transportados por fibras de vidrio. Sin embargo, en su destino, la luz se convierte de nuevo en electricidad. Los materiales de separación de banda fotónica podrían guiar la luz con mucha más precisión que los cables de fibra óptica convencionales y podrían servir como transistores ópticos que realizan cálculos utilizando la luz.   @mundiario