Investigan metamateriales reconfigurables y programables

Investigan metamateriales reconfigurables y programables

Los metamateriales se aplican al diseño de antenas, radares o sistemas de imagen para aplicaciones médicas, entre otros

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Crear materiales con propiedades electromagnéticas programables, lo que se llama metamateriales reconfigurables definibles por software, es el objetivo del proyecto europeo VISORSURF, en el cual participa el grupo interdepartametal NaNoNetworking Center in Catalunya (N3Cat) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). Se perfila como una tecnología revolucionaria con múltiples aplicaciones en la electrónica, la medicina, la energía solar fotovoltaica, la óptica y otros usos todavía inimaginables.

10/07/2017

El proyecto VISORSURF, financiado por la Comisión Europea con aproximadamente seis millones de euros para tres años y medio, se enmarca en el programa europeo FET OPEN, un ambicioso plan dentro del Horizon 2020 enfocado a la investigación de frontera y con un gran potencial para establecer tecnologías radicalmente nuevas.

Un metamaterial es una estructura artificial diseñada expresamente para obtener un comportamiento o propiedad física que no se podría obtener con un material natural o, de hecho, de ninguna otra manera. En electromagnetismo, por ejemplo, los metamateriales pueden crearse para manipular la reflexión de luz u otras ondas desde o hacia direcciones concretas. Se aplican en el diseño de antenas, radares o sistemas de imagen para aplicaciones médicas, entre otros.

Ahora, los científicos tratan de obtener un metamaterial cuyas propiedades se puedan seleccionar de entre varias opciones, a partir de una sencilla aplicación y mediante cualquier dispositivo electrónico, como una tableta. Una vez escogidas las propiedades, el mismo dispositivo enviaría las instrucciones adecuadas al metamaterial, por lo que su red interna interpretaría las instrucciones y en modificaría el comportamiento, según las propiedades que le hayamos conferido. Un proceso que podría repetirse tantas veces como quisiéramos.

Para alcanzar el reto, el proyecto VISORSURF reúne un equipo interdisciplinar formado por físicos, expertos en ciencia de materiales, ingenieros electrónicos, ingenieros de telecomunicaciones e informáticos en un consorcio de seis instituciones europeas: además de la UPC, participan en el proyecto la Universidad de Aalto (Finlandia), la Foundation for Research & Technology de Grecia, la Universidad of Chipre, el Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) de Alemania y SignalGenerix, de Chipre.

Superar los límites actuales, para aplicaciones inimaginables
La principal restricción que tienen actualmente los metamateriales es que están concebidos con un diseño muy específico (sólo aplicable al problema por el que ha sido creado) y estático (su comportamiento no se puede reutilizar, ni cambiar). De lo que se trata, a partir de ahora, es de superar estas limitaciones y diseñar metamateriales reconfigurables y programables, para poder cambiar su comportamiento en el tiempo de una manera controlada, haciendo que sean reutilizables y que sirvan para muchas más aplicaciones, algunas de las cuales todavía están por descubrir.

Uno de los retos del proyecto, pues, es conseguir programar fácilmente la funcionalidad de los materiales. En este sentido, los científicos trabajan para crear una capa de software que permita fácilmente definir qué funcionalidad se quiere obtener del metamaterial. Esta capa se encarga de traducir la funcionalidad en operaciones concretas, que son distribuidas por la red instalada dentro del metamaterial, hasta llegar a los nanoprocesadores, los cuales terminan modificando la estructura interna del mismo para conseguir el comportamiento deseado. Esto favorecerá el uso de los metamateriales reconfigurables e incentivará la investigación en nuevos y disruptivos usos de esta tecnología. Los metamateriales incluso pueden llegar a ser objetos "invisibles", si se cumplen ciertas condiciones, tales como recubrirlos para evitar que las ondas electromagnéticas reboten.

Para hacer posible todo esto, se necesita una red de sensores y de nanoprocesadores en el interior del metamaterial que permitan controlar sus propiedades con una resolución muy fina. En el caso de manipular ondas WiFi, con una resolución de 1 cm, y en el caso de la luz, con una resolución de 50 nanómetros. En el futuro, estos logros pueden llegar a abrir la puerta a la manipulación reconfigurable de la luz.

El grupo de investigación NaNoNetworking Center in Catalunya (N3Cat), con Sergi Abadal, Eduard Alarcón y Albert Cabellos al frente, se encarga de estudiar cómo serían estas redes, que es la única manera de poder cambiar el comportamiento del metamaterial. Están diseñando la red que interconecta los distintos nanoprocesadores los cuales modifican el comportamiento del metamaterial. Se trata de un estudio que abarca muchos aspectos de ingeniería de telecomunicaciones y de diseño de redes en un entorno nuevo, nunca analizado hasta ahora, y cuyo éxito depende de que el metamaterial sea verdaderamente reconfigurable.

Además de múltiples aplicaciones electrónicas y médicas, los nuevos metamateriales serán de gran interés en el campo de la sismología, para modificar las ondas durante un terremoto cuando éstas entran en contacto con un edificio, evitando la vibración o el eco que este puede hacer al derrumbarse. También tendrán su uso en el sector de las energías renovables, para mejorar las placas fotovoltaicas, de modo que absorban el máximo de la radiación solar, y serán de utilidad en las áreas de la óptica, para actuar como filtros, y del sonido, en el caso de querer mejorar la sonorización de un espacio.

Abajo, un esquema ejemplifica cómo se puee modificar la función de un  nanomaterial a través de un dispostivo externo (en este caso, a través de una tableta), gracias a las órdenes que reciben los controladores incorporados en el metamaterial. En el ejemplo, el nanomaterial cumple la función de absorver el color verde y es modificado para absorver el color verde en lugar del rojo.
Investigan metamateriales reconfigurables y programables

La función de un nanomaterial se puede modificar a través de un dispostivo extern (en este caso, a través de una tablet)

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Eduard Alarcón, Sergi Abadal y Albert Cabellos, los tres investigadores responsables del proyecto VisorSurf

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