Metamaterial capaz de guiar las vibraciones por el camino deseado

Los metamateriales son materiales cuya estructura, sobre todo la superficie, está muy trabajada a pequeña escala con el fin de lograr que el material haga cosas que mediante el resto de sus características (químicas y de otro tipo) no podría hacer.

Unos científicos han creado un metamaterial, del tipo conocido como fonónico, que es capaz de controlar con precisión ondas mecánicas, como vibraciones o señales acústicas.

Un material como este podría, por ejemplo, utilizarse para obtener energía de las vibraciones mecánicas o para procesar señales de forma puramente mecánica, lo cual resulta de interés para sensores y ordenadores mecánicos que funcionan sin electricidad.

Cuando una placa metálica vibra, por ejemplo, al golpearla con un martillo, estas vibraciones suelen propagarse de forma circular, similar a como lo hacen las ondas en la superficie de una masa el agua desde el punto en el que ha impactado una piedra. Sin embargo, si esta placa tiene una estructura cuidadosamente diseñada, puede redirigir las ondas por trayectorias específicas, y es precisamente este efecto el que el equipo creador del nuevo metamaterial ha aprovechado.

El equipo lo forman, entre otros, Dennis Kochmann, de la Escuela Politécnica Federal (ETH) de Zúrich en Suiza, y Vignesh Kannan, de la Escuela Politécnica de París en Francia.

En vez de una placa metálica, este equipo utilizó una membrana de silicio extremadamente delgada en la que los investigadores grabaron innumerables orificios mediante técnicas de fotolitografía y grabado, formando así un patrón específico.

El patrón consta de millones de elementos cuadrados repetitivos: pequeños cuadrados, cada uno dividido diagonalmente en cuatro cuadrados. En el centro del cuadrado principal se encuentra una estrella de cuatro puntas.

A diferencia de muchos otros metamateriales, estas celdas unitarias no son idénticas en todo el patrón, sino que cambian gradualmente, a medida que varía la longitud de los brazos de la estrella.

Muestra de micropatrones del nuevo tipo que permiten al metamaterial guiar vibraciones. (Imagen: Charles Dorn / Vignesh Kannan / ETH Zurich)

Los investigadores probaron las membranas de metamaterial que habían producido en un experimento. Mediante pulsos láser, hicieron vibrar la membrana de silicio. Utilizando una técnica de medición óptica, rastrearon la propagación de las vibraciones en tiempo real.

Esto permitió a Kochmann y sus colegas confirmar que las ondas seguían efectivamente las trayectorias especificadas, y en algunos casos durante largos periodos de tiempo.

Estas estructuras no solo funcionan a una única frecuencia de vibración. Los investigadores diseñaron el sistema para 750 kilohercios (750 000 vibraciones por segundo), pero opera eficazmente en frecuencias que oscilan entre los 250 y los 800 kilohercios.

La novedosa membrana de silicio podría tener aplicaciones en micro y nanoelectrónica, por ejemplo, para un mejor control de las vibraciones en los chips. El metamaterial fonónico también resulta interesante para el procesamiento de señales mecánicas sin fuente de alimentación, como en sensores para la monitorización de infraestructuras en zonas remotas. A largo plazo, también podrían implementarse en nuevas arquitecturas de hardware de ordenador.

Kochmann, sin embargo, también está considerando como aplicación práctica los recolectores de energía: dispositivos que dirigen específicamente la energía de vibración a convertidores de energía piezoeléctricos, que generan electricidad utilizable a partir de las vibraciones.

En las próximas etapas de esta línea de investigación y desarrollo, él y sus colaboradores esperan llevar la miniaturización aún más lejos, hasta los límites de lo factible, en el ámbito nanométrico.

“También queremos comprender mejor la física subyacente en los fenómenos en cuestión. Todavía no está del todo claro por qué el diseño funciona de forma tan eficiente en un rango de frecuencias tan amplio”, confiesa Kochmann.

Kochmann, Kannan y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nuevo metamaterial en la revista académica Physical Review X, bajo el título “Microscale Architected Materials for Elastic Waveguiding: Fabrication and Dynamic Characterization across Length and Time Scales”; así como en la revista académica Nature Communications, bajo el título “Graded phononic metamaterials based on scalable microfabrication and design”. (Fuente: NCYT de Amazings)