Archivo de septiembre, 2012

Metamateriales: ¿cerca de la invisibilidad?

Por Blanca González Bermúdez  (alumna de segundo curso del Grado en Ingeniería de Materiales por la UPM)

En Marzo de 2012 Àlvar Sánchez (UAB), escribió estas palabras al desarrollar un cilindro indetectable ante campos magnéticos: “La invisibilidad era ciencia ficción, pero desde hace una década ha pasado a formar parte del ámbito de la ciencia”. Aquella confesión espontánea era un reflejo de la continuada lucha por el desarrollo de los metamateriales. Pero, ¿qué diferencia a estos materiales?

Definición y naturaleza de los metamateriales

Hoy en día se habla y se escribe mucho sobre los avances en el campo de los nanotecnología, que, sin duda alguna, parecen desafiar las leyes y propiedades tangibles y naturales a nuestro intelecto. La pregunta que se plantea en el título del artículo carece de sentido si uno no acude a la figura de los metamateriales. Es preciso, para entenderlos, curiosidad y voluntad en el lector. Es pertinente, además, conocer los antecedentes. Porque cualquier material es, de alguna forma, una culminación, el eslabón final de un largo proceso de investigación. En este artículo se pretende describir el paso de la teoría a la práctica, en síntesis, la auténtica obra que realiza un innovador.

En Ciencia de Materiales el lenguaje resulta de gran eficacia para explicar de un modo imborrable algunas ideas fundamentales. El término “metamaterial” significa, en sentido amplio, aquel que va más allá (metá) del simple material, término que alude al extraordinario comportamiento de estos materiales frente a los demás. Un metamaterial se describe de forma más precisa como “una disposición artificial de elementos estructurales, diseñada para conseguir propiedades electromagnéticas ventajosas e insólitas no presentes en la naturaleza”.

Los investigadores en metamateriales, autores de ésta nueva disciplina, diseñan su estructura interna de tal forma que tengan propiedades no presentes en los materiales naturales. Además se han impuesto en su investigación las siguientes exigencias para los metamateriales:

- Un índice de refracción n negativo, esto es, que presente simultáneamente una permitividad eléctrica (ε) y una permeabilidad magnética (μ) negativas, algo que no aparece en la naturaleza.  Así, en un metamaterial, las ondas electromagnéticas que incidan sobre él se desviarán hacia el lado opuesto de la perpendicular a la superficie normal que separa los medios. Por este motivo se les denomina también “materiales zurdos”. Para dar una idea más gráfica del comportamiento de un “material zurdo”, se podría decir que si el agua tuviese un índice de refracción negativo, un pez que estuviese nadando parecería estar haciéndolo en el aire, por encima de la superficie del agua.

- Un comportamiento homogéneo  que permita que el metamaterial tenga igual comportamiento en todo su volumen. El índice de refracción depende de las dimensiones de los componentes del material, por lo que un índice negativo homogéneo significa que la dimensión máxima de los componentes tiene que ser menor de la longitud de onda incidente.  A modo de ejemplo, las longitudes de onda del espectro visible van de 400 a 750 nanómetros y el infrarrojo de 750 nanómetros hasta 1 milímetro, lo que supone que los componentes básicos de la celda unidad de los materiales deben tener un  tamaño del orden de nanómetros (para luz visible) a varias micras (para radiación infrarroja). Como se intuye enseguida, el principal obstáculo de los investigadores de metamateriales reside, sobre todo, en el proceso de fabricación de los mismos.

En la imagen izquierda y central se ilustra el comportamiento habitual de un material en presencia de un campo magnético, el cilindro altera el campo magnético. A la derecha, se muestra el comportamiento de un cilindro de metamaterial, el nuevo diseño es totalmente invisible al campo magnético (las líneas verticales se mantienen totalmente inalteradas con la presencia del cilindro). Imagen: A. Sánchez et al.

Efectos de los metamateriales

Los efectos que exhibe todo metamaterial como consecuencia de las propiedades mencionadas al interaccionar con ondas de naturaleza electromagnética (o con ondas elásticas en el caso de metamateriales diseñados para aplicaciones acústicas) son cinco:

1º Inversión del efecto Doppler.  Un metamaterial cambia el efecto Doppler que experimentaría un observador con respecto a una fuente que emita ondas y se aproxime o aleje del mismo.
2º Inversión del efecto Cherenkov. El efecto Cherenkov consiste en que cuando un partícula cargada cruza un aislante a una velocidad más grande que la correspondiente a la velocidad de la luz en dicho medio, emite radiación electromagnética en una determinada dirección. El uso de metamateriales invierte el ángulo de emisión y la radiación Cherenkov viaja hacia atrás.
3º Inversión del efecto Goos-Hänchen. Cuando una onda electromagnética incide en una interfase plana que separa dos medios, puede producirse la reflexión total de la onda. Cuando se trata de un metamaterial, se revela un desplazamiento de la reflexión invertido respecto a materiales convencionales.
4º Refracción negativa: ley de Snell inversa. Un metamaterial modifica la ley de Snell de refracción como resultado de una permitividad eléctrica y permeabilidad magnética negativas.
5º Difracción sub-longitud de onda. Es capaz de amplificar la información contenida en las ondas evanescentes que se pierden por el uso de lentes convencionales según el límite de difracción de Abbe.

Aplicaciones de los metamateriales y tendencias

Con las notas desarrolladas sobre las propiedades y efectos de los metamateriales el lector podrá imaginar el posible impacto futuro que podrían tener en el sector industrial (incluyendo aplicaciones médicas y de defensa militar). En la actualidad se trabaja en dos áreas fundamentalmente:

- Encubrimiento e invisibilidad
Invisibilidad electromagnética, invisibilidad acústica y reducción de firma.

- Superresolución, en busca de la lente perfecta
Aplicaciones de la lente electromagnética y aplicaciones de la superresolución acústica.

Para ampliar la información se recomienda la lectura de “Los materiales y sus aplicaciones en defensa”, trabajo disponible en la página web del Ministerio de Defensa. Un vídeo explicativo se puede encontrar en el artículo publicado en el diario El Mundo: “La capa invisible de Harry Potter ‘made in Spain“.

Y al fin, la pregunta clave: ¿estamos cerca de la invisibilidad? Quizás mañana contemos con prototipos perfeccionados, pero hace falta mejorar los sistemas de fabricación actuales. Sin ninguna duda, los resultados de las investigaciones indican la certeza de estar en el camino correcto para llegar a ése mañana.

El estudiante que hace de la Ciencia e Ingeniería de Materiales su vocación, está seguro de que no se descansa en esta disciplina. Los metamateriales llegan para repostarnos de fuerzas con las que seguir aspirando a un progreso tecnológico al servicio de las necesidades de la sociedad. ¿Cabe mayor recompensa?

Enlaces de interés

- Avances sobre recubrimientos de invisibilidad, en www.ingenieros.es.
- La invisibilidad a los campos magnéticos ya es una realidad, en www.tendencias21.net.
- Los metamateriales y sus aplicaciones en defensa en www.portalcultura.mde.es.

Etiquetas:

Intercambio en Michigan State University

Por Alfonso Muinelo  (alumno de último curso del Grado de Ingeniero de Materiales, UPM)

 

Ahora que nos encontramos en el inicio de un nuevo curso -que puede ser el último para algunos- me gustaría contar algunas de  mis experiencias tras mi cuatrimestre de estancia en MSU (Michigan State University). Tener la oportunidad de estudiar en EEUU de forma exclusiva para nuestra carrera no es ninguna bagatela, y por ello me gustaría compartir toda la información posible al respecto a fin de animar a más gente a participar.

Antes de entrar en detalles, sin embargo, me gustaría recalcar que pocas experiencias son tan enriquecedoras para un estudiante universitario como participar en un programa de intercambio.  Esencialmente, estudiar en una universidad extranjera, incluso aunque solo sea durante un mero cuatrimestre, te fuerza a salir de tu zona de “comfort” y a romper con la rutina. De repente, las clases ya no sólo requieren tu total atención por la complejidad de la materia, sino que ahora presentan la dificultad añadida de ser impartidas en otro idioma. El sistema educativo al que estabas acostumbrado ha desaparecido, y ya no es tan fácil predecir qué contenido puede caer en un examen, o cómo has de prepararte las clases. Y tampoco tienes a tus compañeros para ayudarte. Todos estos cambios pueden parecer abrumadores, pero eso es precisamente lo que hace que el  intercambio sea tan especial , ya que te ves forzado a replantear tu experiencia universitaria desde cero. Y aunque al principio puede parecer que todo se te pone cuesta arriba, al final del periodo de intercambio acabarás con nuevos e inolvidables compañeros y te sentirás una persona mucho más completa y capaz. Y, por supuesto, estarás deseando repetir.

Evidentemente, dependiendo del país de destino, todas estas diferencias se pueden ver más o menos acentuadas. Y en el caso del programa que nos ocupa, mi opinión personal es que las diferencias con nuestro sistema de enseñanza son bastante significativas.

La Beaumont Tower es el edificio mas representativo del campus de la MSU, situado en East Lansing. (Imagen:Rory Finneren,wikicommons)

 

En primer lugar, lo que más me sorprendió nada más llegar a MSU  fue la total libertad que dispone el alumno para seleccionar sus asignaturas y, por extensión, construir su propio horario. A diferencia de nuestra titulación, las asignaturas no están asignadas a un determinado cuatrimestre, e incluso es posible escoger asignaturas de departamentos completamente ajenos a tu disciplina. Esto no significa, no obstante, que no existan otro tipo de restricciones. Muchas asignaturas, al igual que aquí, exigen haber cursado otras más básicas con anterioridad. Igualmente, también pueden estar limitadas a alumnos de tercer (juniors) o cuarto año (seniors). La buena noticia, sin embargo, es que con toda probabilidad la universidad hará una excepción en vuestro caso de cara a la segunda. En cuanto a la primera, bastará con que hayáis cursado una asignatura más o menos similar a la exigida aquí en España. En conclusión, ¡prácticamente todas las asignaturas que imaginéis están a vuestro alcance!

Esta total libertad de elección es sin duda una gran ventaja, ya que os da la capacidad de seleccionar asignaturas que os parezcan interesantes en el ámbito de los materiales incluso si estas no están incluidas en la selección del Departamento de Química y Ciencia de Materiales, al que estaréis asignados por defecto. El resultado es que probablemente querréis inscribiros en una gran cantidad de asignaturas. ¡Mucho cuidado! Otra gran diferencia y uno de los errores más frecuentes cometidos por los estudiantes internacionales en MSU es pensar que el volumen de contenidos y los créditos por asignaturas funcionan igual que en su país. Por ejemplo, aquí muchos estaréis acostumbrados a tener unas cinco asignaturas -30 créditos- por semestre.  Pero en MSU lo frecuente es matricularse de unos 12 créditos por cuatrimestre, lo que suele equivaler a unas cuatro asignaturas. Asimismo, las horas lectivas por asignatura son también mucho menores. Por lo tanto, el primer impulso de mucha gente será coger cinco asignaturas. Pero como enseguida os avisarán, lo que no aparece en el papel es que la carga lectiva total (deberes, trabajos, laboratorios) es mucho mayor, en concordancia con su filosofía de que el alumno ha de ser el principal responsable de su formación académica. Mi opinión personal es que sigáis el consejo de los asesores educativos y os matriculéis del número de asignaturas que os recomienden, ya que si posteriormente cambiáis de opinión disponéis de una semana para inscribiros en nuevas asignaturas y de casi un mes para anular la matrícula de aquellas que no os gusten. En cuanto a cuáles escoger, el Departamento de Materiales os dará con antelación una relación de asignaturas recomendadas enfocadas a complementar las asignaturas que habríais cursado aquí durante el cuatrimestre. Por supuesto, siempre podéis experimentar una vez que lleguéis allí; simplemente, preguntad a vuestros asesores qué otras asignaturas consideran apropiadas para vuestros estudios. Mi consejo, sin embargo, es que al menos una tercera parte de las asignaturas que cojáis vengan recomendadas por el Departamento, ya que esto os facilitará los inevitables papeleos de convalidación.

Al hilo de lo que acabo de mencionar, creo que también sería conveniente resaltar cómo se estructuran, en general, las clases en MSU, pues si bien mi opinión es que el nivel de dificultad no cambia demasiado con respecto a nuestra titulación, hay ciertas particularidades que pueden desconcertar al alumno al principio. Un buen ejemplo de esto son los exámenes. De forma similar a la estructura de Bolonia, en MSU también se apuesta por un método de evaluación continua, con varios exámenes parciales y -dependiendo del profesor- un examen final. Pero en la mayoría de los casos, los exámenes no ocupan un porcentaje tan significativo de la nota como aquí. De hecho, ¡he llegado a tener asignaturas en las que los exámenes contaban una décima parte de la nota final! El método de evaluación también es bastante distinto. En lugar de los exámenes largos de dos o tres horas a los que estamos acostumbrados, con problemas de desarrollo elaborados en las asignaturas más analíticas, en MSU os encontraréis principalmente con pruebas cortas, de unos cincuenta minutos, centradas sobre todo en preguntas breves de teoría y problemas de solución rápida (que no sencilla). Suelen ser asimismo exámenes muy densos, por lo que la agilidad y la brevedad a la hora de responder son cruciales. Finalmente, merece también la pena destacar que los exámenes son siempre sometidos a una distribución gaussiana tras su corrección, por lo que la nota máxima siempre vendrá dada por el nivel de tus compañeros. Por ello, incluso aunque un examen te pueda parecer muy difícil, ¡es muy posible que tu nota final acabe siendo mayor de lo que crees!

Como contrapartida, los trabajos de investigación y presentaciones, tanto individuales como de grupo, cobran una importancia inmensa. Esto es especialmente palpable en las asignaturas que tienen un gran contenido de laboratorio en su horario lectivo, donde un trabajo en equipo de investigación, con su correspondiente presentación, puede suponer más de la mitad de la nota. Todas las asignaturas, no obstante, tienen siempre un alto contenido de trabajo individual y en grupo, sin importar lo teóricas que sean. Adicionalmente, los estándares de evaluación son muy estrictos. Todos los trabajos deben tener una bibliografía  amplia, relevante y apoyada puramente en la literatura científica, ya que hasta sitios web con contenido científico y no enciclopédico (como Wikipedia) son vistos con malos ojos o simplemente rechazados. Incluso para trabajos muy breves necesitaréis como mínimo entre cinco y siete referencias bibliográficas. Finalmente, las referencias deben ser siempre lo más directas posibles; incluso si en una reseña aparece la información que buscas, trata siempre de todas formas de localizar el texto original.

Del mismo modo, las presentaciones deberán estar correctamente referenciadas, con todas las figuras acompañadas de su correspondiente fuente, por muy menor que sea.  También es muy importante que la exposición se ajuste al límite de tiempo establecido, ya que penalizan muy severamente por incumplir esta norma y no dan concesiones de ningún tipo.

Por último, si aún no estáis acostumbrados a trabajar en equipo -lo cual dudo-  mejor que os vayáis mentalizando, porque la gran totalidad del trabajo de laboratorio es en equipo.

Con esto creo haber cubierto las diferencias más significativas desde un punto de vista puramente académico. Otros compañeros os irán dando más información en este mismo blog sobre distintos temas que aquí he obviado. Finalmente, espero que, como mínimo, este post haya servido para despejar dudas y convencer a aquellos que estén indecisos a participar en esta gran experiencia.

Etiquetas: