Metamateriales: diseñando propiedades físicas imposibles

• Francisco María
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• • 21/06/2025 09:00
  • Actualizado: 21/06/2025 09:00

A menudo, los diseñadores se enfrentan a diferentes dificultades por las limitaciones que presentan los materiales. Afortunadamente, en la actualidad es posible diseñar la funcionalidad del material que se necesita gracias al uso de metamateriales. Los metamateriales son estructuras que realizan otras funciones más allá de las funciones físicas de los materiales, como resinas y metales, a través de estructuras geométricas diseñadas artificialmente.

¿Qué son los metamateriales?

El término “metamaterial” fue acuñado originalmente por el profesor Rodger M. Walser para describir compuestos tridimensionales de estructura periódica que son fabricados artificialmente y no se encuentran en la naturaleza.

Los metamateriales son, por tanto, materiales artificiales de ingeniería con propiedades físicas únicas y extraordinarias y funcionalidades avanzadas debido a su microarquitectura. Los metamateriales se diseñan en torno a patrones o estructuras a escala micrométrica/nanométrica de tal forma que puedan interactuar con la luz u otras formas de energía y den lugar a un conjunto de propiedades a gran escala.

Diseño de los metamateriales

Los primeros diseños microarquitectónicos de metamateriales se centraron en la geometría. Como las técnicas de impresión 3D multimaterial están cada vez más disponibles, hoy en día es posible combinar geometrías complejas con una distribución espacial de materiales con diferentes propiedades y funcionalidades.

Los metamateriales no sólo incorporan estructuras geométricas diseñadas artificialmente, también incluyen estructuras que generan movimiento mecánico mediante la deformación elástica, como las partes móviles denominadas mecanismos compatibles.

Principales características de los metamateriales

• Son materiales diseñados y fabricados artificialmente
• Son compuestos o híbridos
• Presentan propiedades físicas que no poseen todos los materiales naturales, como índice de refracción negativo, permeabilidad magnética negativa, constante dieléctrica negativa o efecto Doppler inverso
• Son capaces de manipular eficazmente las ondas luminosas, electromagnéticas y sonoras modificando las propiedades físicas de la estructura de la unidad básica, la forma, la orientación y la disposición del material

Tipos de metamateriales

• Metamateriales electromagnéticos
• Metamateriales acústicos
• Metamateriales mecánicos
• Metamateriales térmicos

Usos potenciales de los metamateriales

Los metamateriales se pueden utilizar para crear propiedades físicas avanzadas en una sola estructura, sin ensamblar. Esto se ha logrado de la manera convencional, ensamblando piezas mecánicas o combinando diferentes materiales. Por lo general, estos se fabrican a través de fabricación aditiva, pero también se pueden utilizar métodos de fabricación convencionales como moldeo por inyección, moldeo a presión y mecanizado.

De esta manera, los metamateriales se pueden utilizar para incorporar nuevas propiedades físicas a los productos sin incrementar el número de piezas ensambladas. Los metamateriales les permiten a los diseñadores e ingenieros ir más allá de los métodos convencionales al equilibrar diversas compensaciones en los requisitos de diseño, como peso ligero y alta rigidez.

Funcionalidades de los metamateriales

Según el tipo de metamaterial, el objetivo de diseño o función puede variar. Por un lado, se encuentran los enfoques de “diseño para la propiedad” que tienen que ver con la creación de metamateriales con propiedades inusuales que no se encuentran en los materiales de ingeniería ordinarios.

Por otro lado, en el espectro propiedad-funcional, se encuentra el paradigma del «diseño para la funcionalidad», donde el metamaterial diseñado muestra funcionalidades que, por lo general, se observan en dispositivos.

El paso de enfoques de diseño basados ​​en propiedades a enfoques basados ​​en funcionalidades es muy importante porque el alcance de los posibles diseños es más amplio cuando se trata de funcionalidades en oposición a propiedades.

Ejemplos de aplicación de los metamateriales

Los superlentes

Una superlente es una estructura de lente plana bidimensional formada por elementos ópticos que enfocan la luz en una superficie. A diferencia de las lentes convencionales que están limitadas por el límite de difracción, las superlentes utilizan metamateriales para superar el límite de difracción, obteniendo un índice de refracción de -1. La luz que entra en una superlente forma un ángulo negativo o índice de refracción negativo, tiene una normal de superficie y experimenta un doble efecto de enfoque.

Las superlentes son más finas, ligeras, baratas y ofrecen mejores imágenes. Además, tanto la polarización, como la fase y la amplitud de la luz se pueden ajustar modificando la forma, el sentido de giro, la altura y otros parámetros de la estructura.

A pesar de que sus propiedades y funcionalidades iniciales se limitaban a la óptica y el electromagnetismo, en los últimos diez años se han desarrollado categorías novedosas de metamateriales con aplicaciones en distintas áreas de investigación y práctica, como la acústica, la aviación, la construcción, la mecánica, los biomateriales y la ingeniería térmica.

Conclusión

Desde la creación de dispositivos invisibles hasta la mejora de la eficiencia energética, su potencial es ilimitado. A medida que avanzamos en el siglo XXI, estos materiales podrían ser la clave para resolver algunos de los problemas más apremiantes que enfrenta la humanidad, llevándonos a un futuro donde la ciencia ficción se convierte en realidad.

La exploración y el desarrollo de metamateriales no solo nos acercan a entender mejor las leyes de la física, sino que también nos permiten diseñar un mundo donde las propiedades físicas «imposibles» ya no son un sueño, sino una realidad tangible.

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Estudio de estructuras metamateriales

Metamateriales fotónicos