Cristales de luz y ópalos artificiales

La naturaleza tanto animada como inanimada ha Ido construyendo, a lo largo de millones de años, sistemas, formas y arquitecturas que han resultado de enorme utilidad para el progreso humano. En este último tercio de siglo, la ciencia y la tecnología han demostrado una arrolladora pasión por lo pequeño. En el campo de la electrónica, la miniaturización ha constituido el objetivo prioritario de las grandes compañías y laboratorios. En este mundo se han desarrollado otros dispositivos, como las micromáquinas, cuya futura aplicación roza la, ciencia-ficción. Así, por ejemplo, en un futuro cercano, se fabricarán máquinas tan pequeñas que se podrán 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 tamaño. Hace unos 20 años se descubrió que si un material se desmenuzaba en trozos muy pequeños, las propiedades de éste eran diferentes de las del material original. El descubrimiento ha revolucionado los dispositivos electrónicos y ha abierto un nuevo campo en ciencia y tecnología: la nanoelectrónica. Sin embargo, el boom de los sistemas pequeños no se ha restringido sólo a los materiales semiconductores, sino que también 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 tamaño de la partícula metálica es lo suficientemente pequeña.De transparente a opaco

Recientemente, varios investigadores americanos (Yablonovich y John, 1987) abrieron un nuevo campo en ciencia de materiales al demostrar, de forma teórica, que un material transparente se podía tornar opaco cuando se le llenaba de agujeros periódicamente distribuidos en las tres direcciones del espacio. La distancia entre los agujeros debía 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 analogía 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 aplicación tecnológica. Por ejemplo, con ellos, se podrían fabricar láseres de altísima eficiencia, o diseñar materiales transparentes u opacos para determinadas frecuencias con aplicación en la industria civil o militar en campos tales como las telecomunicaciones, optoelectrónica e informática. Por ello, se ha desatado una frenética carrera, tanto en los laboratorios públicos como en los privados, para conseguir fabricar los mencionados cristales de luz. Sin embargo, el camino es arduo. Téngase en cuenta lo difícil que sería llenar un material de agujeros periódicamente distribuidos y cuyo tamaño fuera del orden de media micra (una micra es una milésima de milímetro).

Los éxitos 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 milímetros) y se pueden realizar con la tecnología disponible ya desarrollada.

Los cristales de luz presentan efectos multicolores por la difracción de luz en los agujeros, y este efecto es más intenso cuanto mayor sea el contraste entre el índice de retracción que hay en el material y en el agujero. Este fenómeno de difracción, también está presente en el mundo animal y mineral. Éste es el caso de las alas de algunos coleópteros y el de ciertas gemas naturales como los ópalos. El ópalo está formado por una ordenación periódica tridimensional de partículas esféricas de sílice y puede constituir un primer ejemplo de cristales de luz.

Hace unos dos años, un grupo de investigadores de varios centros de investigación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, Laboratorio Asociado del CSIC en la Universidad Politécnica de Valencia, e Instituto de Tecnología Química de Valencia) nos propusimos como objetivo la fabricación de cristales de luz partiendo de las estructuras semejantes a aquéllas con las que la naturaleza ha dotado a los ópalos. La idea era fabricar ópalos artificiales mediante la síntesis y posterior ordenación de partículas esféricas idénticas.Ordenación de partículas

La síntesis de partículas submicrométricas con forma y tamaño controlado es una técnica en la industria de las pinturas o de la cosmética. La ordenación de las partículas se realiza de forma semejante a como se ordenaría un conjunto de canicas idénticas en una caja. La única diferencia con las canicas es que las partículas están sumergidas en agua y su peso neto (peso menos fuerza de flotación) iguala la fuerza caótica inducida por la energía térmica. Es decir, la partícula esférica, al caer, rebota muchas veces en el fondo de la cubeta, o sobre las otras partículas ya depositadas, antes de detenerse. Por otra parte, la deposición de partículas en las condiciones arriba indicadas se puede tomar como modelo a gran escala del crecimiento de cristales en el que las partículas esféricas jugarían el papel de los átomos. Existe un modelo que, por su simplicidad, es paradigmático en las teorías de crecimiento cristalino; éste es el modelo que descubrieron en 1982 S. F. Edward y D. R. Wilkinson. Hasta ahora no se había presentado ningún sistema real que se comportara de acuerdo con esta teoría. Nuestro grupo de investigación ha demostrado que el ordenamiento de partículas esféricas submicrométricas de sílice en una suspensión coloidal ,se comporta de acuerdo con dicho modelo. Este trabajo aparecerá publicado en la prestigiosa revista científica Physical Review Letters.

Por otra parte, hemos logrado, fabricar ópalos artificiales con diferente tamaño de las partículas 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 sinterización, de forma que son susceptibles de ser manipuladas y mecanizadas sin que se fracturen. Este trabajo se publicará en la revista Advanced Materials y, debido a la extraordinaria calidad de los materiales obtenidos, una de sus figuras aparecerá como portada en dicha revista.Membranas

Estos materiales pueden encontrar igualmente aplicación en el campo de las membranas. Piénsese que el ópalo se puede ver como una ordenación de poros idénticos, cuyo diámetro se puede modificar cambiando el diámetro de la partícula que lo constituye.Por otra parte, si los huecos interpartícula se rellenan con materiales adecuados se conseguirían materiales con propiedades singulares. Si el material de relleno fuera un semiconductor, se conseguiría aumentar el contraste de los índices de refracción partícula / hueco y, por tanto, aumentaría su calidad como cristal de luz. Además, si el semiconductor elegido poseyera fluorescencia, se podría fabricar un dispositivo láser de muy alta eficiencia.

Otra interesante aplicación sería la obtención de partículas metálicas que sean transparentes a la luz visible. Si el tamaño de las partículas que constituyen los ópalos fueran del orden de la centésima de micra, los huecos del ópalo resultante serían extraordinariamente pequeños y los metales embebidos en su interior se tornarían transparentes pero seguirían siendo conductores.

Alguna razón debían tener nuestros antepasados cuando pensaban que los ópalos poseían propiedades mágicas.José Serafín Moya y Francisco J. Meseguer pertenecen al Instituto de Materiales del CSIC.