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(Foco Nanowerk) Desde visores de realidad aumentada hasta proyectores holográficos, las visiones de las aplicaciones fotónicas avanzadas se basan en la capacidad de controlar activamente el comportamiento de la luz. Pero los conceptos prácticos para hacer que las propiedades ópticas sean reconfigurables y receptivas han resultado difíciles de alcanzar. Los componentes fotónicos tradicionales, como lentes y filtros espectrales, tienen diseños estáticos y fijos que limitan su flexibilidad. Si bien los cristales líquidos y los materiales de cambio de fase ofrecen algunas vías de sintonización, la compleja integración de dispositivos y la escalabilidad limitada obstaculizan su adopción generalizada. Se requiere un nuevo enfoque versátil para realizar la fotónica dinámica que requieren las nuevas tecnologías.
Investigaciones recientes demuestran ahora que los hidrogeles que responden a estímulos son una plataforma material prometedora para lograr este objetivo de sistemas fotónicos altamente reconfigurables. Un nuevo artículo de revisión en Microsistemas y nanotecnología. (“Hidrogeles para fotónica activa”) examina el rápido progreso que la fotónica de hidrogel ha logrado recientemente.
Los hidrogeles son redes de polímeros hidratados que pueden encogerse e hincharse de forma reversible en respuesta a factores ambientales como la humedad, el pH, la temperatura o los campos eléctricos. A medida que la red polimérica se expande o contrae, el espaciado y la geometría modificados proporcionan un mecanismo práctico para cambiar las propiedades ópticas.
Los hidrogeles también permiten la escalabilidad de la fabricación mediante procesos como la nanoimpresión y la litografía por haz de electrones. Estas propiedades de respuesta y ventajas de fabricación hacen de los hidrogeles un nuevo medio atractivo para agregar personalización a componentes fotónicos como nanoantenas, microcavidades y metasuperficies.
![Métodos de fabricación para dispositivos de hidrogel fotónicos basados en película/estructura.](https://www.nanowerk.com/spotlight/id64367_1.jpg)
Dispositivos fotónicos como lentes, filtros ópticos y LiDAR controlan el comportamiento de la luz a través de estructuras cuidadosamente diseñadas hechas de materiales con índices de refracción personalizados. Sin embargo, las propiedades ópticas de estos dispositivos estáticos se fijan después de su fabricación, lo que limita su flexibilidad. Para aumentar la sintonizabilidad, los métodos anteriores han probado técnicas como la integración de moduladores de cristal líquido o la sustitución de materiales de dispositivos estáticos por materiales de cambio de fase alternativos. Sin embargo, estas estrategias han enfrentado desafíos en cuanto a complejidad de fabricación, ancho de banda y escalabilidad que han limitado su adopción generalizada.
Los hidrogeles ofrecen un nuevo y atractivo material alternativo para permitir la fotónica sintonizable dinámicamente. Los hidrogeles son redes de polímeros hidratados que pueden hincharse y contraerse de forma reversible en respuesta a estímulos como la humedad, el pH, la temperatura o los campos eléctricos. A medida que el hidrogel se expande o se contrae, su geometría y su espaciado interno cambian, lo que proporciona una forma sencilla de modular el comportamiento óptico. Los hidrogeles también se benefician de técnicas de procesamiento simples como la fotolitografía y la nanoimpresión, que son compatibles con la fabricación a gran escala.
Las primeras demostraciones han demostrado que la integración de películas de hidrogel en resonadores ópticos simples de metal-aislante-metal proporciona sensores de humedad colorimétricos con resultados visualmente legibles. Los investigadores también han experimentado añadiendo hidrogeles a cristales fotónicos y dispositivos de metasuperficie más complejos. Las estructuras resultantes exhiben cambios significativos en sus resonancias ópticas y bandas prohibidas a medida que los componentes del hidrogel se hinchan y contraen. En un caso, se utilizaron capas alternas de nanopartículas de plata y alcohol polivinílico sensible a la humedad para crear un filtro de mejora de bordes que podía cambiar entre diferentes funciones de imagen.
Técnicas de nanofabricación más avanzadas, como la litografía por haz de electrones y nanoimpresión, ahora permiten modelar hidrogeles en estructuras submicrónicas y de menos de 50 nm. Esto amplía la capacidad de integrar hidrogeles con elementos fotónicos diseñados con precisión, como antenas ópticas, microcavidades y metaátomos.
Por ejemplo, los nanoarrays generados por haces de electrones con espaciadores de hidrogel entre nanopartículas de plata proporcionaron colores estructurales vibrantes y ampliamente sintonizables que respondían a la humedad. Mediante un diseño cuidadoso, los cambios químicos localizados durante la hinchazón del hidrogel también podrían aprovecharse para lograr efectos de cifrado óptico irreversibles. Y al multiplexar diferentes píxeles de hidrogel fotónico, se han demostrado sistemas que pueden alternar entre imágenes nanoimpresas y vídeos holográficos proyectados en tiempo real.
La facilidad de integración de los hidrogeles en la micro y nanofabricación estándar, combinada con su naturaleza intrínseca de respuesta a estímulos, los convierte en una nueva plataforma versátil para la fotónica dinámica. A medida que el campo continúa evolucionando, aún se necesitan esfuerzos para caracterizar y estandarizar mejor las propiedades ópticas de los hidrogeles en diferentes escalas de tamaño y estímulos. Mejorar la estabilidad mecánica y evaluar de forma fiable los cambios de rendimiento a lo largo del tiempo también sigue siendo un objetivo constante.
A pesar de estos desafíos actuales, el futuro parece prometedor para los hidrogeles deformables, lo que permitirá la tan esperada visión de sistemas fotónicos adaptativos con un control sin precedentes sobre la luz. Las últimas innovaciones muestran caminos hacia sensores receptivos, pantallas vibrantes, cifrado seguro de datos y bioimagen hiperespectral, entre otras cosas.
A medida que la investigación continua libera su potencial, la fotónica de hidrogel dinámicamente sintonizable promete convertirse en una solución flexible para nuevas aplicaciones en áreas como la salud, las comunicaciones y el entretenimiento.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
Nanowerk LLC
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