Cristales de luz y ¨®palos artificiales

La naturaleza tanto animada como inanimada ha Ido construyendo, a lo largo de millones de a?os, sistemas, formas y arquitecturas que han resultado de enorme utilidad para el progreso humano. En este ¨²ltimo tercio de siglo, la ciencia y la tecnolog¨ªa han demostrado una arrolladora pasi¨®n por lo peque?o. En el campo de la electr¨®nica, la miniaturizaci¨®n ha constituido el objetivo prioritario de las grandes compa?¨ªas y laboratorios. En este mundo se han desarrollado otros dispositivos, como las microm¨¢quinas, cuya futura aplicaci¨®n roza la, ciencia-ficci¨®n. As¨ª, por ejemplo, en un futuro cercano, se fabricar¨¢n m¨¢quinas tan peque?as que se podr¨¢n introducir y guiar por las venas para actuar localmente sobre la zona enferma del cuerpo humano.Sin embargo, este micromundo ha posibilitado el descubrimiento de propiedades nuevas de la materia que son debidas a su tama?o. Hace unos 20 a?os se descubri¨® que si un material se desmenuzaba en trozos muy peque?os, las propiedades de ¨¦ste eran diferentes de las del material original. El descubrimiento ha revolucionado los dispositivos electr¨®nicos y ha abierto un nuevo campo en ciencia y tecnolog¨ªa: la nanoelectr¨®nica. Sin embargo, el boom de los sistemas peque?os no se ha restringido s¨®lo a los materiales semiconductores, sino que tambi¨¦n se ha extendido a otros materiales como los metales. Por ejemplo, se ha visto recientemente que los metales (que son opacos a la luz visible) se pueden tornar transparentes si el tama?o de la part¨ªcula met¨¢lica es lo suficientemente peque?a.De transparente a opaco

Recientemente, varios investigadores americanos (Yablonovich y John, 1987) abrieron un nuevo campo en ciencia de materiales al demostrar, de forma te¨®rica, que un material transparente se pod¨ªa tornar opaco cuando se le llenaba de agujeros peri¨®dicamente distribuidos en las tres direcciones del espacio. La distancia entre los agujeros deb¨ªa ser del orden de la longitud de onda de la luz visible. Estos materiales se denominaron cristales de luz y su nombre proviene de la analog¨ªa entre el comportamiento de los electrones en cristales y el de las ondas luminosas en estos materiales.

Los cristales de luz tienen una enorme importancia por su aplicaci¨®n tecnol¨®gica. Por ejemplo, con ellos, se podr¨ªan fabricar l¨¢seres de alt¨ªsima eficiencia, o dise?ar materiales transparentes u opacos para determinadas frecuencias con aplicaci¨®n en la industria civil o militar en campos tales como las telecomunicaciones, optoelectr¨®nica e inform¨¢tica. Por ello, se ha desatado una fren¨¦tica carrera, tanto en los laboratorios p¨²blicos como en los privados, para conseguir fabricar los mencionados cristales de luz. Sin embargo, el camino es arduo. T¨¦ngase en cuenta lo dif¨ªcil que ser¨ªa llenar un material de agujeros peri¨®dicamente distribuidos y cuyo tama?o fuera del orden de media micra (una micra es una mil¨¦sima de mil¨ªmetro).

Los ¨¦xitos conseguidos hasta el momento han sido parciales. Se han conseguido fabricar este tipo de materiales en el rango de las microondas. En este caso los agujeros son mucho mayores que en el de los cristales de luz (del orden de mil¨ªmetros) y se pueden realizar con la tecnolog¨ªa disponible ya desarrollada.

Los cristales de luz presentan efectos multicolores por la difracci¨®n de luz en los agujeros, y este efecto es m¨¢s intenso cuanto mayor sea el contraste entre el ¨ªndice de retracci¨®n que hay en el material y en el agujero. Este fen¨®meno de difracci¨®n, tambi¨¦n est¨¢ presente en el mundo animal y mineral. ?ste es el caso de las alas de algunos cole¨®pteros y el de ciertas gemas naturales como los ¨®palos. El ¨®palo est¨¢ formado por una ordenaci¨®n peri¨®dica tridimensional de part¨ªculas esf¨¦ricas de s¨ªlice y puede constituir un primer ejemplo de cristales de luz.

Hace unos dos a?os, un grupo de investigadores de varios centros de investigaci¨®n del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas (Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, Laboratorio Asociado del CSIC en la Universidad Polit¨¦cnica de Valencia, e Instituto de Tecnolog¨ªa Qu¨ªmica de Valencia) nos propusimos como objetivo la fabricaci¨®n de cristales de luz partiendo de las estructuras semejantes a aqu¨¦llas con las que la naturaleza ha dotado a los ¨®palos. La idea era fabricar ¨®palos artificiales mediante la s¨ªntesis y posterior ordenaci¨®n de part¨ªculas esf¨¦ricas id¨¦nticas.Ordenaci¨®n de part¨ªculas

La s¨ªntesis de part¨ªculas submicrom¨¦tricas con forma y tama?o controlado es una t¨¦cnica en la industria de las pinturas o de la cosm¨¦tica. La ordenaci¨®n de las part¨ªculas se realiza de forma semejante a como se ordenar¨ªa un conjunto de canicas id¨¦nticas en una caja. La ¨²nica diferencia con las canicas es que las part¨ªculas est¨¢n sumergidas en agua y su peso neto (peso menos fuerza de flotaci¨®n) iguala la fuerza ca¨®tica inducida por la energ¨ªa t¨¦rmica. Es decir, la part¨ªcula esf¨¦rica, al caer, rebota muchas veces en el fondo de la cubeta, o sobre las otras part¨ªculas ya depositadas, antes de detenerse. Por otra parte, la deposici¨®n de part¨ªculas en las condiciones arriba indicadas se puede tomar como modelo a gran escala del crecimiento de cristales en el que las part¨ªculas esf¨¦ricas jugar¨ªan el papel de los ¨¢tomos. Existe un modelo que, por su simplicidad, es paradigm¨¢tico en las teor¨ªas de crecimiento cristalino; ¨¦ste es el modelo que descubrieron en 1982 S. F. Edward y D. R. Wilkinson. Hasta ahora no se hab¨ªa presentado ning¨²n sistema real que se comportara de acuerdo con esta teor¨ªa. Nuestro grupo de investigaci¨®n ha demostrado que el ordenamiento de part¨ªculas esf¨¦ricas submicrom¨¦tricas de s¨ªlice en una suspensi¨®n coloidal ,se comporta de acuerdo con dicho modelo. Este trabajo aparecer¨¢ publicado en la prestigiosa revista cient¨ªfica Physical Review Letters.

Por otra parte, hemos logrado, fabricar ¨®palos artificiales con diferente tama?o de las part¨ªculas que lo constituyen (entre 0,2 micras y 1 micra). Estas estructuras ordenadas en las tres direcciones del espacio se han conseguido consolidar mediante un cuidadoso proceso de sinterizaci¨®n, de forma que son susceptibles de ser manipuladas y mecanizadas sin que se fracturen. Este trabajo se publicar¨¢ en la revista Advanced Materials y, debido a la extraordinaria calidad de los materiales obtenidos, una de sus figuras aparecer¨¢ como portada en dicha revista.Membranas

Estos materiales pueden encontrar igualmente aplicaci¨®n en el campo de las membranas. Pi¨¦nsese que el ¨®palo se puede ver como una ordenaci¨®n de poros id¨¦nticos, cuyo di¨¢metro se puede modificar cambiando el di¨¢metro de la part¨ªcula que lo constituye.Por otra parte, si los huecos interpart¨ªcula se rellenan con materiales adecuados se conseguir¨ªan materiales con propiedades singulares. Si el material de relleno fuera un semiconductor, se conseguir¨ªa aumentar el contraste de los ¨ªndices de refracci¨®n part¨ªcula / hueco y, por tanto, aumentar¨ªa su calidad como cristal de luz. Adem¨¢s, si el semiconductor elegido poseyera fluorescencia, se podr¨ªa fabricar un dispositivo l¨¢ser de muy alta eficiencia.

Otra interesante aplicaci¨®n ser¨ªa la obtenci¨®n de part¨ªculas met¨¢licas que sean transparentes a la luz visible. Si el tama?o de las part¨ªculas que constituyen los ¨®palos fueran del orden de la cent¨¦sima de micra, los huecos del ¨®palo resultante ser¨ªan extraordinariamente peque?os y los metales embebidos en su interior se tornar¨ªan transparentes pero seguir¨ªan siendo conductores.

Alguna raz¨®n deb¨ªan tener nuestros antepasados cuando pensaban que los ¨®palos pose¨ªan propiedades m¨¢gicas.Jos¨¦ Seraf¨ªn Moya y Francisco J. Meseguer pertenecen al Instituto de Materiales del CSIC.