Metamateriales, o cuando lo extraordinario se hace realidad

Capaces de conducir el calor en magnitud y dirección controladas (invirtiéndolo, incluso), o de desviar la luz tornando invisible un objeto, los metamateriales son materiales con propiedades extraordinarias que no se encuentran ni en materiales disponibles en el mercado ni en la Naturaleza, de allí lo del prefijo “meta” (del griego: “más allá de”).

El desarrollo de metamateriales

Clásicamente, y cuando decimos “clásicamente” es “no más de 15 años”, se diseñaron metamateriales empíricamente o usando un enfoque basado en transformación de coordenadas. Se obtuvieron materiales con propiedades muy peculiares como los de coeficiente de Poisson negativo (al ser comprimidos en una dirección, se comprimen también en las otras), o de expansión térmica negativa (se contraen al calentarse), así como metamateriales para camuflar óptica, térmica o acústicamente el objeto que revisten. Estos han sido logros notables, pero hasta ahora a escala “demo” debido a que el enfoque clásico de diseño de metamateriales no permite tratar geometrías, ni cargas o solicitaciones complejas, como las que se presentan en los casos reales. Como avance, propusimos un nuevo enfoque de diseño de metamateriales a partir de resolver un problema de optimización para minimizar el error en la tarea asignada al metamaterial (por ejemplo, contraerse al calentarse) variando su microestructura. La solución da, justamente, cómo fabricar el metamaterial para esa tarea. Como la tarea, las solicitaciones y la geometría pueden ser completamente generales, podemos tratar aplicaciones industriales o ingenieriles.

Cabe destacar que no se trata de materiales de la Era Espacial cuya producción requiera tecnologías inaccesibles en nuestra región, sino de compuestos de uno o más materiales estándar que adquieren sus propiedades extraordinarias gracias a su topología a escala microscópica.

Contribuciones de nuestro grupo de investigación al campo de los metamateriales

Hasta hoy nos concentramos en el diseño de “demos” en busca de resaltar las ventajas de nuestro enfoque. Por ejemplo, diseñamos y fabricamos una pieza que logra invertir el flujo de calor mejor que el inversor de calor desarrollado por investigadores de la Universidad de Harvard (EE. UU.), que fueron los pioneros en metamateriales térmicos. Además de validar nuestro enfoque por comparación con la literatura, lo que quisimos mostrar es que si podemos invertir el flujo de calor, que es una forma extrema de manipular el flujo térmico, tenemos la capacidad de manipularlo a voluntad. Este control sobre el flujo térmico es muy importante, por ejemplo, en circuitos electrónicos, donde se podría desviar el flujo de calor de partes sensibles, o disipar el calor uniformemente evitando focos calientes. Al mismo tiempo, se abre un nuevo paradigma en aislación. Demostramos que, para aislar una pieza, es mucho más eficiente recubrirla con un metamaterial que desvíe el calor, antes que con un material aislante propiamente dicho. Además, el calor que sea perjudicial en algún lugar podría ser beneficioso en otro. Guiándolo hacia allí habilitaría un aprovechamiento integral de la energía. Recientemente, extendimos el método al diseño de metamateriales para problemas mecánicos que involucren tensiones o deformaciones. Uno de los objetivos perseguidos es tornar la pieza revestida con el metamaterial insensible a solicitaciones externas (con aplicaciones al diseño de cascos deportivos, por ejemplo).

Nuestros planes para continuar la línea de investigación en metamateriales

Dado nuestro grado actual de avance, consideramos demostrada toda la potencialidad de los metamateriales y de nuestro enfoque para diseñarlos para aplicaciones específicas. Como trabajamos en el Centro de Investigación de Métodos Computacionales (CIMEC), dependiente del CONICET y de la UNL, que es un Instituto sin capacidad de fabricación de metamateriales, estamos buscando socios tanto académicos como industriales para hacerlo. Un primer paso fue la reciente incorporación a nuestro grupo de trabajo del Ing. Stefano Muraro, que trabajará en estrecha colaboración con el Centro de Investigación y Transferencia (CIT) del CONICET en la ciudad de Rafaela (Sta. Fe), lo que nos dará acceso a las tecnologías más avanzadas de fabricación aditiva disponibles en nuestro país.

También se trabaja en el diseño y fabricación de metamateriales para envolventes de edificios energéticamente eficientes en colaboración con el Instituto de Materiales en la Construcción (Institut für Werkstoffe im Bauwesen) de la Universidad Técnica de Darmstadt (Alemania), con quienes se presentó un proyecto de investigación y desarrollo, actualmente en evaluación por la Comisión Europea.

Por los Dres. Víctor Daniel Fachinotti (Investigador CONICET) y Juan Carlos Álvarez Hostos (becario posdoctoral CONICET), y los Ings. Ignacio Peralta y Stefano Muraro (becarios doctorales) del CIMEC (CONICET, UNL) de la ciudad de Santa Fe.

Editaron: Lic. Enrique A. Rabe (ÁCS/CONICET Santa Fe), Víctor Fachinotti e Ignacio Peralta (CIMEC-UNL/CONICET).