Meta materiales y el hombre invisible

Cuando leí la novela El Hombre Invisible, de H.G. Wells, muchos años atrás, me quedó la sensación que hacerse invisible, o más propiamente dicho transparente, no debería ser algo imposible, bastaba con cambiar el índice de refracción del cuerpo para hacerlo similar al del aire o del cristal, como decía en la novela y con eso una persona podría volverse completamente transparente. Claro que el demonio estaba en los detalles.

Algo muy curioso es nuestra intuición de que solo lo que vemos existe "ver para creer", "donde mis ojos te vean", "ojos que no ven, corazón que no siente" son solo algunos dichos de la sabiduría popular que muestran como asociamos -de manera intuitiva y superficial- las cosas que vemos con "la realidad", pero la verdad es que solo podemos ver una diez billonésima de las ondas que pasan alrededor nuestro, esa pequeña ventana es lo que conocemos como "luz" y nosotros que ingenuamente creemos estar viendo "la realidad" solo podemos captar un microscópica parte de lo que en realidad existe.

Todo esto a propósito de los meta materiales, un tema sobre el cual mi buen amigo Tito Torres ha escrito cuatro importantes artículos con aplicaciones asombrosas. ¿Que son los meta materiales? Su historia es fascinante y muestra el tremendo poder que tiene la matemática para encontrar cosas que ni siquiera existen en la naturaleza, pero pueden ser fabricadas por el hombre.

Todo partió en los años setenta, cuando el físico ruso Victor Veselago publicó un artículo sobre las propiedades de materiales con constante dieléctrica € y permeabilidad µ negativas. En su artículo concluía que probablemente en la naturaleza deberían existir materiales de este tipo, pues eran matemáticamente posibles, pero lamentablemente no se conocía ninguno. Así, el asunto no pasó de ser una curiosidad matemática que no atrajo demasiada atención, puesto que en la naturaleza jamás habían sido observados.

Pasó hasta los años noventa cuando el tema fue retomado por los señores Ward y Pendry, del Imperial College de Londres. El primer batatazo fue otro estudio teórico donde mostraban que las Ecuaciones de Maxwell funcionaban no solo en espacios convencionales (con coordenadas cúbicas) sino también en espacios con otras curvaturas, a condición que la constante dieléctrica y la permitividad fuesen negativas como había especulado Veselago. Ese fue un espaldarazo teórico tan importante que puso de cabeza a Ward y Pendry para tratar de hacer materiales que tuviesen esta extrañísima característica. En pocos años, gracias a la nano tecnología ya se habían comenzado a fabricar materiales con estas características: los llamados meta materiales.

Estos materiales despertaron el entusiasmo en todo el mundo por una característica óptica asombrosa: de tener materiales de este tipo la luz se comportaría de manera bizarra, curvándose alrededor del materal en lugar de reflejarse, lo que significaría para efectos prácticos disponer de un "escudo de invisivbilidad" que permitiría hacer transparentes las cosas sólidas situadas tras este escudo. El sueño de El Hombre Invisible, al menos en teoría, ya es factible.

Lo más asombroso es como se hacen los meta materiales. Lo normal durante toda la historia ha sido cambiar las propiedades del material mediante procesos metalúrgicos o físicos (por ejemplo templar el acero, hacer aleaciones, etc.) para cambiar su química. Los meta materiales parten de una idea completamente distinta: cambian las propiedades simplemente cambiando las formas, por ejemplo haciendo pequeñísimos agujeros de cierta forma en un material aislante puede adquirir propiedades de conducción eléctrica u óptica totalmente inusuales, que no existen en la naturaleza.

Me explicaba Tito que esto tiene que ver con los fenómenos de resonancia, uno de los efectos más complejos y útiles que existen en la naturaleza. Si en lugar de agujeros se depositan diminutas bobinas planas, anillos u otras estructuras exóticas, el material empieza a mostrar propiedades inusuales.

La nano tecnología aquí es fundamental, porque para producir estos fenómenos de resonancia a frecuencias de la luz o de microondas, que son las primeras aplicaciones que están apareciendo, se necesita manipular, esculpir o depositar estructuras pequeñísimas y gracias a la nano tecnología hoy se pueden manipular los materiales a nivel de átomos individuales.

Es un cambio de paradigma: en lugar de modificar las propiedades químicas se modifican las formas y superficies. Me comentaba Tito que con estructuras delgadísimas como el grafeno, que puede tener el espesor de una sola capa de átomos, cambia toda la física que conocemos. La forma en que se comportan los materiales en solo dos dimensiones (imaginemos por ejemplo una finísima hoja de papel) es radicalmente diferente a como se comportan en tres dimensiones (por ejemplo un cubo de cobre).

Todo esto fue imaginado y pronosticado solamente manipulando modelos matemáticos, lo que nos sugiere la importancia de crear y manipular nuevos modelos que aparezcan en teoría factibles, por ejemplo un artículo de Tito plantea estructuras de meta materiales para producir efectos en ondas macroscópicas como por ejemplo las ondas de choque de los terremotos. De manera análoga a como un meta material puede "doblar" la luz para hacer un objeto detrás de él transparente ¿por que no podría doblar una onda de choque para que no golpeara una determinada estructura? Al menos mientras exista la posibilidad teórica es una idea alucinante.