Hay más en la espuma de lo que se ve a simple vista. Literalmente. Un estudio realizado por científicos de Princeton ha demostrado que un tipo de espuma estudiado durante mucho tiempo por los científicos puede bloquear longitudes de onda particulares de luz, una propiedad codiciada para la tecnología de información de próxima generación que utilizaluz en lugar de electricidad.
Los investigadores, integrando la experiencia de la ciencia de los materiales, la química y la física, realizaron simulaciones computacionales exhaustivas de una estructura conocida como espuma de Weaire-Phelan. Descubrieron que esta espuma permitiría el paso de algunas frecuencias de luz mientras reflejaba completamente otras.El bloqueo selectivo, conocido como separación de banda fotónica, es similar al comportamiento de un semiconductor, el material de base detrás de toda la electrónica moderna debido a su capacidad para controlar el flujo de electrones a escalas extremadamente pequeñas.
"Esto tiene la propiedad que queremos: un espejo omnidireccional para un cierto rango de frecuencias", dijo Salvatore Torquato, profesor de química y el Instituto Princeton de Ciencia y Tecnología de Materiales. Torquato, el Profesor Lewis Bernard de Ciencias Naturales,publicó los resultados el 6 de noviembre en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias con los coautores Michael Klatt, un investigador postdoctoral y el físico Paul Steinhardt, profesor de ciencias Albert Einstein de Princeton.
Si bien anteriormente se han mostrado numerosos ejemplos de espacios de banda fotónica en varios tipos de cristales, los investigadores creen que su nuevo hallazgo es el primer ejemplo en una espuma, similar a la espuma de las pompas de jabón o una cerveza de barril. A diferencia de la espuma desordenadasin embargo, la espuma Weaire-Phelan es un arreglo estructurado con precisión con profundas raíces en matemáticas y física.
Los orígenes de la espuma de Weaire-Phelan datan de 1887 cuando el físico escocés Lord Kelvin propuso una estructura para el "éter", la sustancia misteriosa que luego se pensó que abarcaba una estructura de fondo para todo el espacio. Aunque el concepto del éterya estaba cayendo en desgracia en ese momento, la espuma propuesta por Kelvin pasó a intrigar a los matemáticos durante un siglo porque parecía ser la forma más eficiente de llenar el espacio con formas geométricas entrelazadas que tienen la menor superficie posible.
En 1993, los físicos Denis Weaire y Robert Phelan encontraron un arreglo alternativo que requiere un poco menos de superficie. Desde entonces, el interés en la estructura de Weaire-Phelan se centró principalmente en las comunidades matemáticas, físicas y artísticas. La estructura se utilizó como el exteriorpared del "Cubo de agua de Beijing" creado para los Juegos Olímpicos de 2008. El nuevo hallazgo ahora hace que la estructura sea de interés para los científicos y tecnólogos de materiales.
"Comienzas con un problema clásico y hermoso en geometría, en matemáticas, y ahora de repente tienes este material que abre una brecha de banda fotónica", dijo Torquato.
Torquato, Klatt y Steinhardt se interesaron en la espuma Weaire-Phelan como una tangente de otro proyecto en el que estaban investigando materiales desordenados "hiperuniformes" como una forma innovadora de controlar la luz. Aunque no eran su enfoque original, los tres se dieron cuenta de que estola espuma estructurada con precisión tenía propiedades intrigantes.
"Poco a poco, se hizo evidente que había algo interesante aquí", dijo Torquato. "Y finalmente dijimos, 'Ok, dejemos el proyecto principal a un lado para continuar con esto'".
"Siempre esté atento a lo que está al borde de la investigación", agregó Klatt.
Weaire, que no participó en este nuevo hallazgo, dijo que el descubrimiento de Princeton es parte de un interés cada vez mayor en el material desde que él y Phelan lo descubrieron. Dijo que el posible nuevo uso en óptica probablemente se deba a que el material es muy isotrópico, o no tener propiedades fuertemente direccionales.
"El hecho de que muestre una brecha de banda fotónica es muy interesante porque resulta tener muchas propiedades especiales", dijo Andrew Kraynik, un experto en espumas que obtuvo su doctorado en ingeniería química de Princeton en 1977 yha estudiado ampliamente la espuma Weaire-Phelan pero no participó en el estudio de Princeton. Otra conexión de Princeton, dijo Kraynik, es que una herramienta clave para descubrir y analizar la espuma Weaire-Phelan es una herramienta de software llamada Surface Evolver, que optimiza las formas de acuerdo cona sus propiedades superficiales y fue escrito por Ken Brakke, quien obtuvo su doctorado en matemáticas en Princeton en 1975.
Para mostrar que la espuma Weaire-Phelan exhibía las propiedades de control de la luz que buscaban, Klatt desarrolló un conjunto meticuloso de cálculos que ejecutó en las instalaciones de supercomputación del Instituto Princeton de Ciencias e Ingeniería Computacional.
"Los programas que tuvo que ejecutar son computacionalmente intensivos", dijo Torquato.
El trabajo abre numerosas posibilidades para una mayor invención, dijeron los investigadores, que denominaron la nueva área de trabajo como "foamónicos" una combinación de "espuma" y "fotónica". Debido a que las espumas se producen de forma natural y son relativamente fáciles de hacer,Un posible objetivo sería lograr que las materias primas se autoorganicen en la disposición precisa de la espuma Weaire-Phelan, dijo Torquato.
Con un mayor desarrollo, la espuma podría transportar y manipular la luz utilizada en las telecomunicaciones. Actualmente, gran parte de los datos que atraviesan Internet son transportados por fibras de vidrio. Sin embargo, en su destino, la luz se convierte de nuevo en electricidad. Los materiales de separación de banda fotónica podríanguían la luz con mucha más precisión que los cables de fibra óptica convencionales y pueden servir como transistores ópticos que realizan cálculos con luz.
"¿Quién sabe?", Dijo Torquato. "Una vez que tenga esto como resultado, entonces le proporcionará desafíos experimentales para el futuro".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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