El poder en el interior

El cubo de cerámica bajo el microscopio está dotado de superpoderes. Comprimida hasta casi un tercio de su altura, se niega a desmoronarse, romperse o desgarrarse. Cuando se libera la presión, el cubo vuelve a su estado original con la resistencia de una esponja. La prensa baja de nuevo, pero el cubo permanece intacto. La notable elasticidad de este minúsculo cubo de cerámica -de apenas 0,1 milímetros de altura- se debe a las ranuras y cavidades curvadas que atraviesan su estructura interna. Su disposición es tal que las fuerzas de tensión no pueden concentrarse dentro de ninguna área del cubo cuando se aplica la presión. Es esta concentración de fuerzas cerca de los defectos, muescas o esquinas afiladas lo que hace que los materiales cerámicos sean tan frágiles. La arquitectura retorcida del cubo impide esto, de ahí la inesperada elasticidad de la cerámica. El profesor del ETH Dennis Kochmann y sus colegas del Instituto Tecnológico de California en Pasadena desarrollaron esta cerámica. Es un metamaterial, diseñado para poseer propiedades que no se encuentran en la naturaleza. Su microestructura interna le confiere estas propiedades artificiales.

Las cerámicas estirables son un ejemplo poco espectacular. Otros metamateriales son conocidos por su capacidad de controlar la propagación de las ondas. Por ejemplo, los investigadores han logrado producir un metamaterial con un índice de refracción negativo. Refracta la luz u otras ondas en la dirección "equivocada". Las aplicaciones incluyen lentes totalmente planas y, en teoría, camuflaje óptico y acústico. Con los metamateriales, ese manto ficticio de invisibilidad podría convertirse en un hecho científico. Este campo relativamente nuevo está demostrando ser una mina de oro para los investigadores. En teoría, los metamateriales podrían adaptarse para adoptar prácticamente cualquier combinación de propiedades. Este campo podría convertirse en un campo de juego para aquellos capaces de dominar este juego de geometría y física.

Suave y conductivo

Kochmann y su grupo están investigando los fundamentos. A medida que exploran ese patio de recreo, están haciendo retroceder los límites de lo que los materiales pueden hacer. Hace unos años, demostraron que se pueden fabricar materiales blandos para la transmisión de ondas. Los investigadores arreglaron inteligentemente las estructuras poliméricas para prestarles esta capacidad a través de componentes biestables. Cada uno de estos componentes puede tomar dos estados estables, uno tenso y el otro flojo. Los científicos colocaron los polímeros en fila como si fueran fichas de dominó y los conectaron entre sí. Al empujar un extremo de esta estructura se desencadena una onda que viaja al otro extremo, como si se tratara de una colisión de dominós. Con esta sencilla solución para la transmisión de señales en materiales blandos, los investigadores habían encontrado una alternativa blanda a los cables convencionales. Este avance sienta las bases para las futuras tecnologías totalmente blandas, como los robots blandos.

El equipo de Kochmann está trabajando ahora en formas de aplicar el mismo principio detrás de esta acción unidimensional a dos y tres dimensiones. La idea es diseñar materiales que puedan cambiar su forma en dos o tres dimensiones en respuesta a un estímulo específico, sin tener que depender de accionamientos o motores como actuadores. Su objetivo es programar los estados iniciales, finales e intermedios de una forma transformable, así como la velocidad y la secuencia de esta transformación, utilizando nada más que la estructura como medio.

Metamorfosis con sólo pulsar un botón

Mientras que la transformación de estos materiales se realiza mecánicamente - por ejemplo, a mano en el laboratorio - las metamorfosis de otros materiales se inducen electrónicamente, con sólo pulsar un botón. Kochmann ayudó a desarrollar un metamaterial recubierto de silicio que puede ser cargado electroquímicamente para cambiar su estructura. En su estado inicial, parece una rejilla tridimensional con finos puntales horizontales que conectan los postes verticales más gruesos, similar a un ring de boxeo. Cuando se cargan eléctricamente, los puntales horizontales de la estructura se expanden y se doblan en un patrón simétrico formado por arcos sinusoidales opuestos. Los investigadores aprovecharon un efecto conocido por causar problemas con las baterías: los electrodos se hinchan y encogen a medida que una batería se carga y descarga. La hinchazón de los puntales horizontales en este nuevo metamaterial hace que su estructura cambie fundamentalmente y permanezca en su nuevo estado hasta que se descargue.

Estos investigadores lograron así crear un metamaterial intercambiable. Funciona como una batería recargable, por lo que también podría servir en el futuro para desarrollar dispositivos de almacenamiento de energía implantables a escala micrométrica. Kochmann y su equipo también han utilizado simulaciones para verificar otra propiedad intrigante: cargar el metamaterial para cambiar su forma impide que las ondas se propaguen en ciertos rangos de frecuencia. Estas bandas pueden ser variadas mediante la modulación del voltaje. Kochmann dice que estas barreras de ondas ajustables podrían ser una opción interesante para amortiguar las vibraciones en componentes muy pequeños como los que se encuentran en la microelectrónica.

Una búsqueda creativa de la estructura

Señala que la clave para adaptar las propiedades de los materiales a la demanda es encontrar la arquitectura adecuada a pequeña escala. La cuestión es cómo encontrar el diseño que induce la propiedad deseada entre las innumerables combinaciones de formas geométricas, principios arquitectónicos y materiales base. Kochmann dice que se están realizando esfuerzos para examinar las arquitecturas potenciales utilizando algoritmos e inteligencia artificial, pero señala que estos métodos se encuentran en una fase temprana: "Todavía hay mucha lluvia de ideas y diseño creativo basado en la experiencia que está sucediendo." Uno a menudo encuentra a su equipo en el pizarrón, navegando a través de los componentes arquitectónicos conocidos para llegar a un nuevo repertorio de propiedades materiales emocionantes.

El campo de especialidad de Kochmann, las simulaciones, ciertamente ayuda en este sentido. Observa la composición química y la microestructura de un material para investigar sus propiedades cuando se exponen a estímulos específicos como el calor, la electricidad y las cargas mecánicas. Al igual que con el cubo cerámico descrito anteriormente, Kochmann también aplica los principios y conocimientos adquiridos de los materiales convencionales para desarrollar nuevos metamateriales.

Herramientas de la física teórica

Los colegas de otras disciplinas apoyan los esfuerzos de Kochmann. Uno de ellos es el físico de la ETH Sebastian Huber. El desarrollo y la construcción de estructuras y sistemas que se comportan como lo predicen las teorías abstractas es una de sus áreas de especialización. Ya ha logrado construir un aislante topológico, por ejemplo. Se trata de un sistema en el que las ondas pueden propagarse sólo en la superficie y en una sola dirección. En 2015, Huber fue el primero en demostrar este efecto con un modelo que consiste en 270 péndulos dispuestos en un cuadrado. El concepto era conocido, pero sólo como una construcción hipotética en la física cuántica. Ahora está haciendo algo muy similar para los metamateriales, desarrollando y construyendo estructuras como estas péndolas para demostrar efectos que de otra manera sólo pueden ser observados en elaborados experimentos. Huber dice que su investigación siempre se trata de obtener el máximo control sobre la propagación de las ondas.

Traduciendo los conceptos de la física teórica al mundo de la ingeniería con sus metamateriales, Huber está poniendo herramientas prácticas en manos de Dennis Kochmann y otros investigadores que investigan dichos materiales. También está introduciendo nuevas formas de pensar sobre las estructuras de los materiales y los conceptos de diseño de materiales. El tercer beneficio es quizás el más gratificante para un físico: las mediciones realizadas en los experimentos con sus metamateriales le permiten refinar los modelos físicos. Las estructuras internas de los metamateriales son, por lo tanto, la llave que abre la puerta a una comprensión y explotación vívidas de los principios físicos - y a la creatividad de los científicos que buscan diseñar nuevos materiales con propiedades sin precedentes.