Un campo de la ciencia de los materiales conocido como metamateriales ha capturado recientemente la imaginación de ingenieros que esperan crear dispositivos ópticos a nanoescala. Jonathan Fan, profesor asistente de ingeniería eléctrica y director del ExFab en las Instalaciones de Nanofabricación de Stanford, está liderando el camino. Recientemente ganó la prestigiosa Beca Packard 2016 en Ciencia e Ingeniería, que financia a los profesores más prometedores al comienzo de su carrera en campos que van desde la física y la química hasta la ingeniería. Fan es solo el cuarto ingeniero eléctrico de Stanford en ganar la beca desde 1988, y el apoyo financiero que viene con ella le permitirá llevar a cabo un trabajo tan innovador que de otra manera puede resultar difícil de financiar a través de los medios tradicionales. Hablamos con Fan sobre sus visiones en la ingeniería de metamateriales y sobre sus colaboraciones interdisciplinarias con los profesores de Stanford Allison Okamura y Sean Follmer en proyectos como la integración de nuevos tipos de sistemas electromagnéticos con robots.

¿Qué son los metamateriales?

En su nivel más básico, estamos llevando la idea de una antena a la nanoescala. En el día anterior al cable y al satélite, los televisores tenían antenas de metal. Si su imagen no fuera muy buena, se levantaría y reconfiguraría físicamente la geometría de la antena para cambiar su rendimiento. Esas antenas fueron diseñadas para ondas de radio de centímetros a metros de longitud. Estamos trabajando para crear antenas a nanoescala que puedan responder a la luz visible con longitudes de onda de 400 a 700 nanómetros, o luz infrarroja, donde las longitudes de onda son del orden de un micrón. Al configurar la geometría de estas antenas individualmente y en colecciones, podemos diseñar sistemas que pueden interactuar con la luz y manipularla de formas completamente nuevas.

Estas pequeñas antenas son muchos órdenes de magnitud más pequeñas que una antena de TV. Afortunadamente, el desarrollo de la moderna plataforma de circuitos integrados electrónicos durante el último medio siglo ha producido procesos tecnológicos maduros que pueden ayudarnos a definir características a nanoescala. Usamos esas mismas tecnologías de patrones para hacer estas antenas a nanoescala. Esa es la descripción básica.

¿Cuál es la derivación del término «meta» en el nombre metamateriales?

Cuando piensas en una lente convencional, piensas en el vidrio, el material, ¿verdad? El vidrio de su cámara o sus anteojos dobla la luz de manera muy predecible en función de la respuesta material intrínseca del vidrio. Una lente hecha de un metamaterial responderá a la luz de maneras que ya no se basan únicamente en las propiedades del material en sí, sino en gran medida en el diseño y la disposición de estas antenas ópticas. Por lo tanto, el concepto de «meta» proviene de nuestra capacidad para diseñar materiales artificiales, que consisten en un compuesto de estructuras a nanoescala, que pueden responder a la luz de formas completamente nuevas. Es bueno ver un ejemplo en el caso de un metal como el oro. Por lo general, pensamos en el oro como un material a granel que es reflectante, amarillento y brillante. Incluso cuando bajas a la nanoescala, el oro sigue siendo oro. Pero al especificar la geometría del oro a nanoescala, podemos cambiar el color del oro de amarillo a verde o rojo, y puede soportar muchos otros tipos de propiedades ópticas que no asociamos con el oro a granel. Esas son propiedades que los ingenieros pueden usar para crear nuevos dispositivos.

¿Qué nos permiten hacer los metamateriales que antes no podíamos hacer?

Los metamateriales son prometedores por un par de razones. En primer lugar, permiten la miniaturización extrema de los dispositivos ópticos existentes. Por ejemplo, podemos tomar una lente de anteojos y hacerla 100 veces más delgada que un mechón de cabello. Esto nos permite traducir sistemas ópticos tradicionalmente voluminosos a factores de forma extremadamente pequeños. En segundo lugar, se pueden personalizar para admitir propiedades novedosas que actualmente no son accesibles con el hardware óptico existente, lo que lleva a sistemas ópticos completamente nuevos.

¿Qué es un ejemplo de un dispositivo potencial de metamaterial?

Hoy en día, una gran oportunidad surge del hecho de que las cámaras de alta resolución se han miniaturizado a tamaños que pueden caber en teléfonos celulares, lo que las hace accesibles a audiencias un millón de veces más grandes que antes. Parte de mi pregunta de investigación más amplia es: ¿Hay algo más que podamos hacer con los sistemas de imágenes con factores de forma de una cámara de teléfono celular? Hay tanta información en el campo de luz entrante que actualmente no es capturada por una cámara de teléfono celular, pero que podría ser capturada con sistemas de imágenes que incluyen metamateriales. El acceso a esta información adicional podría cambiar la forma en que usamos las imágenes que tomamos. Por ejemplo, si tiene una afección de la piel, se podría extraer mucha más información óptica de la piel de una imagen simple de un teléfono celular y usarla para evaluar mejor su afección.

¿Qué te entusiasma de los metamateriales?

Los metamateriales nos llevan a un conjunto de preguntas completamente diferente: metaquestiones, por así decirlo. Por ejemplo, ¿son estos nanoantennas la mejor manera de hacer lo que queremos hacer? En este momento, ni siquiera eso está claro. Además, se llega a las grandes cuestiones de las aplicaciones para estos materiales y dispositivos. Está abierto de par en par. Por eso es emocionante para mí.

¿Alguna impresión temprana para compartir como nuevo miembro de la facultad?

Stanford es un lugar realmente especial. Las personas son de primera categoría y el entorno es altamente colaborativo, no aislado. Como ejemplo, recientemente me he expandido a la robótica, donde he estado buscando aplicar conceptos en ondas de radiofrecuencia para crear sistemas robóticos suaves más inteligentes. En este esfuerzo, he comenzado una colaboración con Allison Okamura y Sean Follmer, que son ingenieros mecánicos. Ha sido fantástico hasta ahora, y he estado aprendiendo mucho. La gente aquí tiene una mente muy abierta y está inspirada para hacer una investigación interdisciplinaria emocionante para identificar y resolver grandes problemas. Estoy encantado de ser parte de eso.