Silencio en la ciudad: la nueva ola de los materiales topológicos
El estudio de los metamateriales ha abierto nuevas fronteras, permitiéndonos controlar las ondas de sonido y luz
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Imagine que está de camino a unas merecidas vacaciones de verano cuando, de repente, choca contra otro vehículo. Afortunadamente, el chasis de su coche se deforma de manera controlada y programada tras el impacto, creando una zona segura para los ocupantes, para que salgan ilesos. ¿Magia?
No, no es magia. Es el futuro que se avecina gracias a los materiales topológicos, un campo emergente en la investigación de los metamateriales.
Coches transformers, capas de invisibilidad y ciudades silenciosas son solo tres ejemplos de lo que está por venir.
Los metamateriales: ¿qué son, y hacía dónde van?
El estudio de los metamateriales ha abierto nuevas fronteras, permitiéndonos interactuar y controlar ondas de sonido y luz de formas exóticas que antes eran inconcebibles.
Por ejemplo, ya existen recubrimientos metamateriales que pueden absorber o redirigir las ondas de luz. Esto evita que la luz se refleje en el objeto, volviéndolo indistinguible para el ojo humano, creando una especie de «capa de invisibilidad».
También se han diseñado metamateriales que ofrecen la posibilidad de inducir un índice de refracción negativo, un fenómeno nunca visto que hace que la luz –o las ondas sonoras– se curve en sentido contrario. Este concepto de refracción negativa tiene implicaciones fascinantes, como la posibilidad de crear la lente perfecta con propiedades ópticas muy superiores a las actuales. Y si lo que redirigimos son ondas de sonido, estaremos creando escudos de silencio.
La rosquilla que se convierte en una taza de café
Todo esto puede sonar a ciencia ficción para muchos, pero la comunidad científica lleva dos décadas explorándolo. Me refiero a la investigación en materiales topológicos, ese tipo de metamateriales que se mantienen robustos independientemente del nivel de deformación aplicado.
El ejemplo más utilizado para ilustrar este concepto es el de una rosquilla que se puede transformar continuamente en una taza de café, ya que son topológicamente equivalentes. Es decir, se pueden remodelar uno en el otro sin dañar ni cambiar las propiedades fundamentales de ninguno de los objetos.
Esta robustez topológica se ha estudiado ampliamente en la física de la materia condensada, y ha llevado a estados electrónicos inusuales en los que los materiales se vuelven aislantes en el interior y conductores en el exterior. Estos materiales se conocen como aislantes topológicos, y fueron observados por primera vez en 2007.
Las condiciones únicas que crean pueden conducir a guías de ondas inmunes a defectos y desórdenes. O dicho de otro modo, a materiales en los cuales las ondas de luz y sonido pueden moverse libremente, sin verse afectadas por defectos estructurales o imperfecciones en la fabricación. Esto tiene aplicaciones prometedoras en la actualidad en los transistores para la computación cuántica, así como en dispositivos magnetoelectrónicos y optoelectrónicos avanzados.
El resultado de una colaboración internacional entre investigadores de Suiza, China y el Instituto IMDEA Materiales en España, recientemente publicada en la revista Nature, destaca cómo los grados de libertad topológicos que se basan en simetrías ofrecen un enfoque alternativo e inédito para la manipulación de la luz y el sonido. Esto ha llevado a nuevas estructuras fotónicas y acústicas topológicas más allá del ámbito de los metamateriales tradicionales.
Cómo atrapar ondas de sonido
Los expertos en metamateriales de hoy no sólo nos centramos en la óptica, sino también en otras áreas de la física ondulatoria, como la acústica.
La acústica tiene una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, podríamos mitigar la contaminación acústica alrededor de las autopistas y en las ciudades. Incluso tendríamos la capacidad de crear superficies que no reflejen en absoluto las ondas sonoras o de radar, y que ofrezcan diferentes reflexiones desde distintas direcciones. Todo esto permitiría fabricar, entre otras cosas, vehículos más sigilosos para aplicaciones militares. Y con su implantación habríamos ganado la batalla contra el ruido: podríamos vivir en ciudades silenciosas.
También estamos explorando cómo tales efectos, cuando se diseñan intencionalmente en el propio material mediante tecnología de impresión 3D, podrían atrapar o manipular ondas de luz, acústicas o electromagnéticas.
Los coches transformables y la deformación diseñada
En la ciencia de materiales es muy común realizar experimentos para estudiar cómo las deformaciones afectan a su estructura y propiedades mecánicas. Así podemos saber cómo se comportará un material ya diseñado y fabricado en las condiciones que se están probando.
Lo que buscamos lograr, ahora y más adelante, es ir un paso más allá: no solo entender cómo se deformará un material, sino diseñar esa deformación en el propio material, creando defectos por diseño.
En la fabricación de automóviles, se podrían crear «zonas seguras», como en el ejemplo con el que arrancaba este artículo, donde los componentes del vehículo estén diseñados para que la deformación del chasis ocurra de manera que se maximice la seguridad del conductor.
En la industria aeronáutica, tendríamos la posibilidad de diseñar piezas de manera que, en caso de fallo, el daño a los componentes cercanos o a la integridad general de la estructura se controle de manera preestablecida.
Si bien esta investigación aún se encuentra en una fase conceptual, marca el camino hacia la construcción de un futuro prometedor.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.
