[ad_1]
(noticias nanowerk) Los metamateriales son productos de la magia técnica. Están hechos de polímeros, cerámicas y metales cotidianos. Y cuando estos materiales ordinarios se diseñan con precisión a microescala en arquitecturas complejas, pueden adquirir propiedades extraordinarias.
Utilizando simulaciones por computadora, los ingenieros pueden experimentar con cualquier combinación de microestructuras para ver cómo ciertos materiales pueden transformarse en, por ejemplo, lentes acústicas que enfocan el sonido o películas livianas a prueba de balas.
Pero las simulaciones sólo pueden llevar un diseño hasta este punto. Para saber con certeza si un metamaterial cumplirá con las expectativas, es imprescindible probarlo físicamente. Sin embargo, no existe una forma confiable de empujar y tirar de metamateriales a microescala y saber cómo reaccionan sin tocar ni dañar físicamente las estructuras.
Ahora, una nueva técnica basada en láser ofrece una solución rápida y segura que podría acelerar el descubrimiento de metamateriales prometedores para aplicaciones del mundo real.
Las tesis centrales
![Micrografías electrónicas de muestras de metamateriales poliméricos de aproximadamente 50 micrómetros de ancho.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id64060_1.jpg)
Investigación
La técnica, desarrollada por ingenieros del MIT, estudia metamateriales utilizando un sistema de dos láseres: uno para golpear rápidamente una estructura y el otro para medir la forma en que vibra en respuesta, similar a golpear una campana con un martillo y registrar su reverberación. A diferencia de un martillo, no hay contacto físico con los láseres. Aun así, pueden crear vibraciones en las diminutas vigas y puntales de un metamaterial, como si la estructura estuviera siendo golpeada, estirada o cortada físicamente.
A partir de las vibraciones resultantes, los ingenieros pueden calcular varias propiedades dinámicas del material, como cómo reacciona a los golpes y cómo absorbe o dispersa el sonido. Utilizando un pulso láser ultrarrápido, pueden excitar y medir cientos de estructuras en miniatura en cuestión de minutos. Por primera vez, la nueva tecnología ofrece una opción segura, confiable y de alto rendimiento para la caracterización dinámica de metamateriales a microescala.
«Necesitamos encontrar formas más rápidas de probar, modificar y optimizar estos materiales», dice Carlos Portela, el británico y profesor de desarrollo profesional Alex d’Arbeloff de Ingeniería Mecánica en el MIT. «Este enfoque nos permite acelerar el descubrimiento de materiales óptimos en función de las propiedades deseadas».
Portela y sus colegas describen su nuevo sistema, al que han denominado LIRAS (por espectroscopia acústica resonante inducida por láser), en un artículo que aparece hoy en Naturaleza (“Diagnóstico dinámico de metamateriales utilizando firmas de vibración inducidas por láser”). Sus coautores del MIT incluyen a los primeros autores Yun Kai, Somayajulu Dhulipala, Rachel Sun, Jet Lem y Thomas Pezeril, así como Washington DeLima del Campus de Seguridad Nacional de Kansas City del Departamento de Energía de EE. UU.
![Dibujo animado de una torre rectangular con tapa plana sobre un fondo blanco. La torre está hecha de una intrincada estructura de celosía y la aguja se curva de lado a lado. Cuando la torre está recta, es blanca y negra, pero cuando se dobla, las áreas curvas se vuelven verdes y moradas.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id64060_3.gif)
un consejo lento
Los metamateriales con los que trabaja Portela están hechos de polímeros comunes, que imprime en 3D en pequeñas torres parecidas a andamios hechas de vigas y puntales microscópicos. Cada torre está estructurada por la repetición y superposición de una sola unidad geométrica, como una configuración de ocho puntas de vigas conectadas. Cuando el conjunto de la torre se apila de un extremo a otro, puede otorgarle al polímero propiedades que de otro modo no tendría.
Sin embargo, la capacidad de los ingenieros para probar y validar físicamente estas propiedades de los metamateriales es muy limitada. La nanoindentación es el método típico para estudiar este tipo de microestructuras, pero de forma muy deliberada y controlada. El método utiliza una punta del tamaño de un micrómetro para presionar lentamente una estructura, midiendo el pequeño desplazamiento y las fuerzas aplicadas a la estructura a medida que se comprime.
«Pero esta técnica sólo puede ir a cierta velocidad y dañar la estructura al mismo tiempo», señala Portela. «Queríamos encontrar una manera de medir cómo se comportan dinámicamente estas estructuras, por ejemplo en la respuesta inicial a un impacto fuerte, pero de una manera que no las destruya».
Un mundo (meta)material
El equipo recurrió a la tecnología de ultrasonido láser, un método no destructivo que utiliza un pulso láser corto sintonizado con frecuencias de ultrasonido para excitar materiales muy delgados, como películas de oro, sin tocarlos físicamente. Las ondas ultrasónicas producidas por la excitación del láser están en un rango que puede hacer que una película delgada vibre a una frecuencia que permite a los científicos determinar el espesor exacto de la película con una precisión nanométrica. La técnica también se puede utilizar para determinar si una película delgada tiene defectos.
Portela y sus colegas se dieron cuenta de que los láseres ultrasónicos también podían hacer vibrar de forma segura sus torres de metamateriales 3D; La altura de las torres oscila entre 50 y 200 micrómetros, o aproximadamente el doble del diámetro de un cabello humano, y está en la escala microscópica de películas igualmente delgadas.
Para probar esta idea, Yun Kai, que se unió al grupo de Portela con experiencia en óptica láser, construyó una configuración de mesa que consta de dos láseres ultrasónicos: un láser de «pulso» para excitar muestras de metamateriales y un láser de «sonda» para medir las vibraciones resultantes.
En un solo chip no más grande que una uña, el equipo imprimió cientos de torres microscópicas, cada una con una altura y arquitectura específicas. Colocaron esta ciudad metamaterial en miniatura en una configuración de dos láseres y luego excitaron las torres con repetidos pulsos ultracortos. El segundo láser midió las vibraciones de cada torre. Luego, el equipo recopiló los datos y buscó patrones en las vibraciones.
“Todas estas estructuras las estimulamos con un láser, que es como golpearlas con un martillo. Y luego capturamos todos los movimientos de cientos de torres, y todas se sacuden de maneras ligeramente diferentes”, dice Portela. «Luego podemos analizar estas oscilaciones y extraer las propiedades dinámicas de cada estructura, como su rigidez en respuesta a un impacto y la rapidez con la que los ultrasonidos se propagan a través de ella».
El equipo utilizó la misma técnica para escanear torres en busca de defectos. Imprimieron varias torres sin errores y luego imprimieron las mismas arquitecturas pero con diferentes niveles de errores, como por ejemplo: B. faltan puntales y vigas, cada una más pequeña que el tamaño de un glóbulo rojo.
![Micrografías electrónicas de muestras de metamateriales poliméricos.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id64060_2.jpg)
«Dado que cada torre tiene una firma de vibración, vimos que cuanto más defectos introducíamos en la misma estructura, más cambiaba esta firma», explica Portela. “Se podría imaginar escanear una línea de montaje de estructuras. Si ves uno con una firma ligeramente diferente, sabrás que no es perfecto”.
Dice que los científicos pueden recrear fácilmente la configuración del láser en sus propios laboratorios. Entonces Portela predice que avanzará el descubrimiento de metamateriales prácticos y del mundo real. Portela, por su parte, quiere crear y probar metamateriales que enfoquen las ondas ultrasónicas, por ejemplo para aumentar la sensibilidad de las sondas ultrasónicas. También investiga metamateriales resistentes a los impactos, por ejemplo para revestir el interior de los cascos de bicicleta.
«Sabemos lo importante que es crear materiales que mitiguen los golpes y el impacto», dice Kai. «Con nuestro estudio, ahora podemos caracterizar por primera vez el comportamiento dinámico de los metamateriales y explorarlos hasta el extremo».
[ad_2]