Metamaterial

Un metamaterial es un material cuyas propiedades no se derivan de sus componentes, sino de la disposición de estos. El prefijo griego meta significa «más allá» — se entiende: más allá de lo que la naturaleza tiene disponible en materia de materiales.

La idea es a la vez sencilla y de largo alcance. Si se disponen pequeñas estructuras según un patrón claramente más fino que la longitud de onda con la que se las irradia, entonces la onda no «ve» las piezas aisladas, sino un material de propiedades promediadas. Esas propiedades promediadas pueden ajustarse mediante la geometría — y pueden adoptar valores que ninguna sustancia natural posee.

El índice de refracción negativo

El ejemplo más conocido es un índice de refracción negativo. El físico soviético Víctor Veselago reflexionó en 1968, de forma teórica, sobre lo que ocurriría si un material poseyera a la vez permitividad negativa y permeabilidad negativa: la luz se refractaría al entrar en la dirección equivocada.

Un material así no se conocía entonces. Treinta años más tarde, John Pendry describió cómo podría construirse, y en el año 2000 un grupo en torno a David R. Smith, en la University of California, San Diego, mostró el efecto experimentalmente en el rango de las microondas — con una red de hilos finos y resonadores de anillo partido.

Desde entonces, los metamateriales son un campo de investigación propio. En 2006 se logró un primer dispositivo de camuflaje para microondas que hacía que estas rodearan, por así decirlo, un objeto en una frecuencia determinada.

Para qué se emplean

Los metamateriales hace tiempo que han dejado de ser una mera curiosidad de laboratorio:

Antenas — formas constructivas compactas con efecto direccional que, en versión clásica, necesitarían más espacio
Acústica — aislamiento acústico que bloquea de manera dirigida determinadas frecuencias
Óptica — lentes que resuelven con más finura de lo que permite el límite de difracción clásico
Mecánica — materiales que al ser estirados se engrosan en lugar de adelgazarse
Calor — disposiciones que dirigen los flujos de calor

A todos les es común: la función reside en la estructura, no en la sustancia.

Relación con la neutrinovoltaica

Para el Neutrino® Energy Group esta idea es central. La neutrinovoltaica no se basa en un elemento particular, sino en una secuencia de capas particular: capas alternas de grafeno y silicio en el rango nanométrico, según la patente WO2016142056A1 de diez a veinte de ellas, en particular doce.

También aquí rige el principio del metamaterial: ni el carbono ni el silicio hacen por separado nada notable. La expectativa se dirige a la red que forman en común — y al hecho de que esa red, en esa forma, no existe en la naturaleza.

Para la carrocería del Pi Car también están previstos metamateriales. El grupo los describe allí como medio para traducir los flujos del entorno en microvibraciones mecánicas que, junto con las nanocapas dopadas, generan resonancia.

Por qué la estructura importa tanto

Una imagen ayuda. Una casa de ladrillo y un camino de ladrillo están hechos del mismo material; la una mantiene el calor, el otro soporta peso. La diferencia reside únicamente en la disposición.

En los metamateriales ocurre lo mismo, solo que un millón de veces más pequeño — y la disposición no decide sobre el calor o la carga admisible, sino sobre cómo interactúa una onda o una partícula con la sustancia. Que esa interacción pueda configurarse en lugar de tener que aceptarla es la verdadera ganancia.

Términos relacionados

Grafeno — una de las mitades de la secuencia de capas
Grafeno dopado — estructura reticular modificada de manera dirigida
Pi Car — metamateriales en la carrocería
Neutrinovoltaica — el procedimiento que hay detrás

Fuentes

W. G. Wesselago: The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ, Soviet Physics Uspekhi 10, 509 (1968).
D. R. Smith et al.: Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity, Physical Review Letters 84, 4184 (2000).
Neutrino® Energy Group: The Pi Car, thepi.energy.