Metamateriales

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Realiza un trabajo de investigación sobre Metamateriales, que tenga como mínimo 5 páginas, en el cual se incluya su definición, características físicas, usos, aplicaciones, conclusiones y bibliografía. (10 puntos).

Contesta las siguientes preguntas en base a la información adquirida:

1.- Cuales de las aplicaciones de este material, tiene relación con electromagnetismo. (2.5 ptos)

Invisibilidad electromagnética:

En general, la detección de objetos por medio de ondas electromagnéticas se produce por dos tipos de efectos: reflexión de las ondas por parte del objeto y sombra

Una manera de conseguir dicha transparencia seria recubriendo al objeto con una estructura que permita a las ondas electromagnéticas “rodear” a dicho objeto, emergiendo en el lado contrario como si hubieran atravesado un espacio vacío.

2.- Que aplicaciones tienen relación con la óptica. (2.5ptos).

Los metamateriales ópticos permiten diseñar medios ópticos con un índice de refracción efectivo a medida. Gracias a ello se pueden diseñar sistemas de procesamiento completamente ópticos que ejecuten funciones matemáticas sobre los pulsos ópticos incidentes lo que permitirá muchas aplicaciones prácticas, como el desarrollo de ordenadores analógicos completamente ópticos o nuevos sistemas de procesamiento óptico de imágenes

3.- A que se denomina un material zurdo, y que usos permite esto? (2.5 ptos) Es el comportamiento de la luz y otras ondas electromagnéticas en un medio hipotético cuyo índice de refracción fuera negativo. En alusión a la orientación de los campos eléctrico y magnético respecto de la propagación de la onda luminosa.. El índice de refracción de una sustancia es una medida de la disminución de la velocidad de la luz en la misma con relación a su valor en el aire, considerándose así una cantidad positiva. Como consecuencia, un rayo de luz se tuerce, esto es se refracta, al penetrar en el material. Este efecto es responsable de muchos fenómenos ópticos, y del funcionamiento de lentes y prismas

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4.- En que consiste la invisibilidad electromagnética, y cuál es su aplicación. (2.5 ptos). Son Materiales que cambian la forma en que se comporta la luz sobre un cuerpo físico para conseguir el efecto de invisibilidad es decir se adapta a la curvatura de las ondas de luz por completo alrededor del objeto haciéndola desviar las ondas electromagnéticas, de modo que el observador no ve el cuerpo que tiene delante, además este invento es capaz de ocultar también las sombras de ese cuerpo. Mirando al futuro, las aplicaciones que podrían tener en campos como el militar son enormes. Por ejemplo, con estas formas y estructuras podrían llegar a camuflarse perfectamente aviones o carros de combate ante radares. Otro ejemplo como el presentado aquí sería el de los soportes mecánicos para antenas que, con estas formas y recubiertos de estas estructuras, permitirían reducir interferencias.

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METAMATERIALES

Definición: No existe una definición universalmente aceptada de metamaterial; en el sentido más amplio, se trataría de un material artificial que presenta propiedades electromagnéticas inusuales, propiedades que proceden de la estructura diseñada y no de su composición, es decir, son distintas a las de sus constituyentes. En un sentido más estricto, hay quien considera un metamaterial a aquél que constituye una estructura periódica, cuya dimensión máxima sea menor que la longitud de onda con la que vaya a trabajar. De esta manera, la estructura diseñada podría considerarse como una "molécula", y sus propiedades ser modeladas mediante parámetros globales, permitividad, permeabilidad, índices de refracción.... exactamente igual a como se hace con las moléculas presentes en la naturaleza. Algunos amplían esta definición incluyendo en las mismas estructuras aleatorias (igual que en la naturaleza existen sólidos cristalinos, periódicos y sólidos amorfos) y también existe quien no considera la restricción del tamaño de la estructura, aceptando también como metamateriales a aquellos de dimensiones mayores que la longitud de onda (cristales fotónicos). Por el contrario, también existe quien restringe aún más esa definición, considerando como metamateriales sólo a aquellos que presentan coeficientes de refracción negativos (metamateriales "doble negativos" o "zurdos").1 Los metamateriales tienen una gran importancia en los campos de la óptica y del electromagnetismo. Muchos estudios que se llevan a cabo hoy en día van orientados al diseño de nuevos materiales capaces de tener un índice de refracción ajustable, la creación de "superlentes" que mejorarían drásticamente la calidad de las imágenes para el diagnóstico médico y otros usos METAMATERIAL EL CONCEPTO CIENTÍFICO:

Dentro de la Física se conoce a los Metamateriales, como materiales que no se encuentran como tales de forma espontánea en la Naturaleza y que presentan características o propiedades a priori antinaturales. Es tal la importancia de estos nuevos Metamateriales, que según un artículo publicado por la revista SCIENCE, el pasado 2010, se encuentran dentro de los 10 grandes descubrimientos de la primera década del siglo XXI. Este gran descubrimiento científico está suponiendo el desarrollo de nuevos dispositivos en los campos de la óptica y las telecomunicaciones, tanto a nivel micrométrico como a nivel manométrico. El concepto físico de Metamaterial fue desarrollado por Viktor Veselago. Cuarenta años antes de que se pudiera construir el primer metamaterial, Veselago concibió en su imaginación que propiedades tendría para un nuevo material al que se le alteraran de forma simultanea su permitividad eléctrica y su permeabilidad electromagnética, obteniendo como resultado teórico una capacidad de alterar el ángulo de refracción de las ondas electromagnéticas. En la práctica esto significa poder jugar con la luz y el primer paso para la búsqueda de la invisibilidad. El efecto sería algo como lo que se puede observar en la siguiente imagen:

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FÍSICA II Al poder jugar con la luz dirigiéndose a izquierdas por efecto de un metamaterial (por eso se conocen como materiales zurdos) y luego a derechas por efecto de un material con índice de refracción natural es posible dirigir la luz creando lentes o camuflajes perfectos. Si se pasa de la escala nanométrica (trabajar con luz) a escala micrométrica (trabajar con las ondas que se utilizan en telecomunicaciones como las que se emplean en nuestros móviles), se pueden construir dispositivos de pequeño tamaño y que reducen el consumo. Finalizando el siglo XX se construyó el primer metamaterial.

Consistía en la repetición periódica de dos elementos uno invertía la permeabilidad y el otro la permitividad a escala micrométrica.

Es en esta repetición de patrones periódicos, donde aparece la conexión conceptual con la obra de Emilio Pérez Piñero. Funcionalmente a escalas micrométricas lo que hace el metamaterial es seleccionar que frecuencias pueden pasar y cuáles no. Es como si estuvieran hablando muchas personas a la vez en un habitación y se pudiera seleccionar que persona se quiere escuchar y cual se puede silenciar. Actualmente, existen varias formas de construir un metamaterial pero siempre es a través de la repetición periódica de un patrón, por ejemplo en la figura siguiente se hace horadando huecos en un material dieléctrico.

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Modificando la forma y el tamaño de estos huecos se controlan las propiedades y características del metamaterial. Sin embargo los huecos tienen un límite de tamaño, pues si son muy grandes se solapan unos con otros y se pierde la forma del patrón fractal.

Uno de los coautores de esta propuesta escultórica, a través de un trabajo desarrollado para su tesis doctoral y publicado bajo el título Novel Compact Wide-Band EBG Structure Based on Tapered 1-D Koch Fractal Patterns” para la Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, solucionó este problema empleando fractales de koch como se muestran en la en esta imagen:

Obteniéndose los dispositivos reales

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FÍSICA II Características de los Metamateriales: Aunque la mayoría de las propiedades de los metamateriales; que se discutirán a continuación, aún no han sido desarrolladas en aplicaciones prácticas, es útil describirlas para ilustrar la riqueza e importancia de sus aplicaciones potenciales, que, probablemente se extienden más allá del contenido presentado en este documento. Muchos de estos fenómenos; que ocurren en asociación con los materiales LH, fueron intuidos por el científico Víctor Veselago:  Dispersión de frecuencia necesaria de los parámetros constitutivos. ı  Efecto Doppler inverso. ı  Condiciones frontera inversas, entre materiales RH y LH.  Ley de Snell inversa. ı  Refracción negativa en la interfaz entre un medio RH y un medio LH.  Transformación de una fuente puntual en una imagen puntual en un medio LH.  Intercambio de los efectos de divergencia y convergencia en lentes LH cóncavos y convexos, respectivamente. Uso de los Metamateriales: Los METAMATERIALES se usan, en la práctica, para el empleo de diversas estructuras que son periódicas y que a la vez realizan una combinación de los medios físicos como son Permisividad Eléctrica y Permeabilidad Magnética pero en este caso invirtiendo la Ley de Snell, ahora el Índice de Refracción será negativo y esta propiedad convierte su comportamiento de manera totalmente inusual. Estos materiales han sido tema de investigación para muchos científicos en diferentes sectores, tales como la Óptica, la Nanotecnología y muy especialmente en las Telecomunicaciones, fundamentalmente en la fabricación de diversas antenas. Con lo expuesto se puede pensar que una definición de METAMATERIAL pudiera ser la de un material artificial con propiedades electromagnéticas inusuales, que no se dan en medios naturales conocidos y cuyas características proceden de la estructura diseñada y difieren de las de sus componentes y que generalmente se trate de estructuras periódicas con dimensiones menores que la longitud de onda incidente, de modo que la estructura diseñada se comporte como un medio efectivo y pueda ser modelada por parámetros globales de permisividad, permeabilidad, índice de refracción, etc. La Permisividad Eléctrica Negativa era lograda por un montaje de alambres metálicos finos alineados a lo largo de la dirección de propagación de la onda. Si la geometría y la orientación del montaje era la adecuada, el comportamiento de este podía verse como la resonancia plasma en un metal y este montaje presenta un comportamiento paso alto equivalente a un medio con permisividad negativa.

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FÍSICA II En el caso de un metal, la respuesta en frecuencia a un campo electromagnético está dada por la resonancia plasma del gas de electrones. Medios con Permeabilidad Magnética Negativa, SRR. Podemos decir que implica ungran reto el poder obtener un medio con Permeabilidad Magnética Negativa, se describe como el comportamiento de los SRRs (Split Ring Resonators), los cuales consisten en dos anillos de metal concéntricos con pequeñas aberturas en posiciones opuestas. Los SRRs son los que logran por primera vez obtener valores efectivos de Permeabilidad Magnética Negativa. Por ello cuando se aplica un campo magnético variable axial a la estructura, la f.e.m. (fuerza electro motriz) inducida genera una corriente en los anillos (Aunque la estructura también puede ser excitada mediante un campo eléctrico variable a lo largo del eje “Y”, ver figura abajo), debido a la cercanía entre los anillos hay una capacidad distribuida entre ellos y el circuito queda cerrado. Los conductores introducen un comportamiento inductivo, que junto con la capacidad distribuida entre los anillos producirá un comportamiento resonante similar a un circuito LC. En un montaje periódico de SRRs, el carácter resonante de estos provocará que se inhiba la propagación de la señal en un determinado rango de frecuencias. Este efecto es resultado de que la estructura presenta valores negativos de permeabilidad magnética efectiva, al menos en una estrecha banda de frecuencias.

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FÍSICA II Cristales electromagnéticos. Los cristales fotónicos son un montaje periódico de átomos o moléculas. La geometría de los cristales va a definir muchas de sus propiedades conductivas, el período es comparable con la longitud de onda que se propaga en el medio por lo que se producirán fenómenos de interferencia, que dan lugar a la inhibición de la transmisión de la señal para determinadas bandas de frecuencias y en determinadas direcciones. El equivalente electromagnético de los cristales fotónicos son los cristales electromagnéticos (Electromagnetic Band Gaps, EBG), en los cuales la periodicidad se produce mediante la variación de parámetros macroscópicos. Estos tienen la capacidad de inhibir la propagación en determinadas bandas de frecuencias y direcciones. El comportamiento de un Cristal Electromagnético unidimensional puede ser fácilmente analizado considerándolo como un dieléctrico multicapa, con valores alternados de índice de refracción y espesores de un cuarto de longitud de onda. Así, para determinadas frecuencias, todas las ondas reflejadas interfieren constructivamente en la entrada. Las características de los cristales electromagnéticos han propiciado que estos hayan sido aplicados en tecnología de microondas, para obtener altos niveles de rechazo de frecuencias y frecuencias de cortes bien definidas.

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FÍSICA II Los cristales electromagnéticos han sido implementados en tecnología de microcinta también mediante el grabado de círculos en el plano de tierra, siguiendo un patrón periódico bidimensional. En la siguiente figura se muestra una estructura donde solo se han necesitado tres filas de círculos para implementar un patrón bidimensional, aunque se ha demostrado que empleando únicamente la fila central de círculos, se puede obtener un desempeño similar. Importancia de los METAMATERIALES. La investigación sobre METAMATERIALES ha crecido exponencialmente. Los laboratorios de investigación de universidades e industrias tienen grupos dedicados al análisis, caracterización y aplicación de materiales. En particular, estos materiales hacen posible realizar novedosos dispositivos de microondas como antenas de ondas de fuga en el modo dominante, lentes con Índice de Refracción Negativos, antenas resonadoras pequeñas y componentes de dos bandas que no eran posibles obtener antes. La importancia de los METAMATERIALES en la ingeniería y comunidad científica ha provocado formaciones de conferencias dedicadas solamente a la investigación de los metamateriales y publicaciones de muchos libros.

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FÍSICA II Aplicaciones de lo Metamateriales: Para aplicaciones Ópticas, el tamaño de las partes que forman el METAMATERIAL varía desde nanómetros hasta un micrón, mientras que para aplicaciones en comunicaciones se necesitan tamaños de micrones a milímetros, los METAMATERIALES hoy en día tienen innumerables aplicaciones tanto en la rama Óptica como en la rama de las comunicaciones. A continuación cito algunas de ellas: 1. Una de las aplicaciones más populares radica en la fabricación de lentes planas, en general la forma de las lentes Ópticas es lo que define sus propiedades y para algunas aplicaciones específicas la forma de la lente es complicada de fabricar. 2. Se utilizan en la fabricación de antenas pequeñas de móviles o de satélites en los que se quieren agrupar un gran número de antenas en un espacio mínimo. 3. Desarrollo de imágenes ópticas de altísima resolución y de nano circuitos de ordenadores muy veloces. 4. El uso de los Cristales Electromagnéticos permite la eliminación de bandas espurias en filtros de microondas, en el campo de los circuitos de microondas es habitual confinar la señal mediante la utilización de líneas de transmisión que suponen un medio guiado para la radiación que viaja a través de ellas. 5. Se utilizan en el diseño de líneas de transmisión, acopladores, desfasa dores y circuitos híbridos con dos bandas de funcionamiento. 6. Una de las principales aplicaciones de los METAMATERIALES es su empleo como antenas “leaky-wave” en un determinado rango de frecuencias, donde proporcionan un barrido completo de haz. 7. Se emplean en estructuras planas como son las antenas de microcinta. En este tipo de antenas estas estructuras pueden tener varias aplicaciones. Una de estas aplicaciones puede ser el diseño de antenas de microcinta multifrecuencias (o sea trabajan con un número definido de frecuencias). Por otra parte, como se conoce, las antenas de microcinta con parche rectangular son de banda estrecha y la polarización es vertical. A raíz de esto último se han construido utilizando METAMATERIALES que no solo aumentan la banda de trabajo sino que también logran polarización horizontal. Se puede decir que los METAMATERIALES son materiales compuestos con capacidades extraordinarias para curvar las ondas electromagnéticas. Todos los materiales naturales tienen un índice de refracción positivo que provoca que cuando incide la luz sobre ellos, ésta se desvíe y podamos ver los objetos tal y como son. Los METAMATERIALES no son materiales naturales, sino un compuesto que, como resultado final, tiene propiedades no encontradas en sustancias que se forman en la naturaleza, como por ejemplo, el poseer una permisividad dieléctrica y una permeabilidad magnética negativa que provocan que el índice de refracción también sea negativo.

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FÍSICA II Existen varios tipos de METAMATERIALES pero los más conocidos son los LHM (Left Handed Materials). EMPLEO DE LOS METAMATERIALES PARA ALGUNOS CAMPOS DE LA TECNOLOGÍA: METAMATERIALES SOLARES. Un grupo de investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) han creado unos materiales que podrían mejorar la eficiencia de las células solares, en un avance que podría llevar a cabo nuevas células solares que utilicen mejor la luz solar, se han diseñado unos materiales con la capacidad de doblar la luz visible en ángulos inusuales pero precisos, es importante destacar que a los mismos no le importa su polarización, lo cual nos lleva a pensar en resultados muy acelerados hacia el recubrimiento de células solares, las cuales serán totalmente transparentes utilizando los rayos del sol para dirigirlos hacia su área activa y esto mejorará la producción de energía solar. El METAMATERIAL del Caltech es una película de metal de varios cientos de nanómetros de espesor, estas películas están grabadas con varias cavidades circulares, cada una de las cuales rodea una columna que podría parecer hecha de alambres del mismo material. El espacio entre el cable y la pared de la cavidad se rellena con un segundo metal, dependiendo de las dimensiones de los patrones, este material curva o refracta la luz de diferentes colores en mayor o menor grado. Las películas descubiertas son conductores metálicos y también podrían servir como el electrodo superior de una célula solar. Algunos diseños de METAMATERIALES han resultado complejos de fabricar e incluyen una estructura de varias capas, estas películas de una sola capa se pueden hacer usando técnicas de litografía y grabado que son corrientes en la industria de fabricación de chips. MATERIALES EN: NANOTECNOLOGÍA, METAMATERIALES INTELIGENTES, BIOMÉTICOS E “INVISIBLES”. La NANOTECNOLOGÍA es un campo que ha resultado de una elevada investigación para los científicos por las prestaciones y avances que ella trae implícito, por ello planteamos que es uno de los novedosos campos donde se aprecian cambios espectaculares en la fabricación de nuevos materiales, además es la ciencia de fabricar, controlar estructuras, máquinas a nivel y tamaño molecular que sean capaces de construir nuevos materiales átomo a átomo. Su unidad de medida es muy pequeña y se denomina nanómetro, la cual no es más que la milmillonésima parte de un metro (10-9m) y algunos de estos dispositivos se utilizan en la actualidad, por ejemplo podemos

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FÍSICA II plantear uno muy sencillo, los nanotubos, pequeñas tuberías conformadas con átomos de carbono puro (GRAFENO) para diseñar todo tipo de ingenios de tamaño nanoscópico. Existen METAMATERIALES compuestos cuyas propiedades físicas son distintas a la de sus constituyentes y algunos de ellos se fabrican con técnicas de nanotecnología similares a las que se usan para fabricar micro máquinas y circuitos integrados, una ventaja que ellas presentan es que con ellos se podrían fabricar lentes planas que permitirían enfocar la luz en áreas más pequeñas que la longitud de onda de la luz, con lo que se podría conseguir aplicaciones en el terreno de la Óptica o de las comunicaciones totalmente inéditas. Una de estas posibles aplicaciones serían los ordenadores ópticos, muchísimo más potentes y rápidos que los actuales, aunque su desarrollo se encuentra todavía en una fase muy preliminar. MATERIALES INTELIGENTES revolucionarán la forma de concebir la síntesis de materiales, puesto que serán diseñados para responder a estímulos externos, extender su vida útil, ahorrar energía o simplemente ajustarse para ser más confortables al ser humano. Si en un futuro no muy lejano con respecto a cómo marcha la velocidad de la tecnología las investigaciones en el campo de los nanomateriales permitirán en el futuro emplear sistemas de liberación de fármacos ultra-precisos, nanomáquinas para micro fabricación, dispositivos nanoelectrónicos, tamices moleculares ultra-selectivos y nanomateriales para vehículos de altas prestaciones, estos materiales podrán replicarse y repararse a sí mismos, e incluso, si fuera necesario, autodestruirse, reduciéndose con ello los residuos y aumentando su eficiencia. Entre los materiales inteligentes que se están investigando se encuentran los músculos artificiales o los materiales que “sienten” sus propias fracturas. Conclusiones: En resumen podemos plantear que a nivel mundial se realizan diferentes experimentos alrededor de estos excepcionales materiales y proponemos que el estudio de los mismos prevé un amplio avance en cuanto a la tecnología de los mismos para así poder lograr un significativo uso en un futuro no muy lejano de lo cual se encargara la nanotecnología y otras campos que lo superarán posteriormente.

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