"Queremos aumentar el nivel de complejidad y sofisticación de las fibras", afirma Yoel Fink, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en el MIT.
Mediante la integración de materiales sensibles al calor y la luz durante la fabricación de fibras ópticas, el grupo de Fink haya logrado crear fibras que actúan como sencillos sensores, e incluso como cámaras. El grupo acaba de añadir un nuevo nivel de funcionalidad a las fibras ópticas mediante la introducción de una capa de material piezoeléctrico. Este material convierte las señales eléctricas en un cambio mecánico, y viceversa, haciendo que la presión se pueda aplicar, o detectar, en la fibra.
El principal desafío a la hora de fabricar estas fibras consiste precisamente en la organización de múltiples capas de materiales, así como su procesamiento bajo condiciones que conduzcan a capas de calidad. En los últimos años, el grupo de Fink ha desarrollado un proceso para la cuidadosa aplicación de capas de materiales con las que formar una gruesa barra "preforma" que se calienta y se estira hasta conseguir una fibra muy delgada, de kilómetros de largo, que contiene diversos materiales, incluyendo polímeros y metales.
La clave de este método está en la selección de materiales que no sólo posean las propiedades deseadas, sino que también que se derritan y fluyan a la misma temperatura. Para las fibras piezoeléctricas, Fink crea una preforma de 40 milímetros de diámetro. Contiene un polímero que forma un cristal piezoeléctrico de alta calidad al enfriarse, así como un material de policarbonato que es a la vez viscoso y conductor. Cuando se calientan y se estiran, las dimensiones de estas capas se reducen desde milímetros a nanómetros, al tiempo que mantienen la misma proporción de grosor. Gracias a su delgadez, flexibilidad y peso ligero, las nuevas fibras podrían ser especialmente útiles para la detección distribuida y la toma de imágenes.
"El gran desafío dentro de la integración de la funcionalidad es la integración de materiales muy distintos, y este es un gran paso adelante", afirma Ritesh Agarwal, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en la Universidad de Pennsylvania. Agarwal asegura que es impresionante que la capa piezoeléctrica conserve sus propiedades después de haber sido extendida—los investigadores del MIT han desarrollado unas condiciones de fabricación que aseguran que la estructura cristalina de este material, que es importante para mantener sus propiedades de conversión de presión en electricidad, se mantenga.
La fibra final posee un núcleo capaz de transportar luz, una capa piezoeléctrica, y electrodos con los que conducir electricidad desde y hacia la capa piezoeléctrica. Los investigadores del MIT son capaces de enviar pulsos de corriente eléctrica por la fibra, haciendo que la capa piezoeléctrica exprima la fibra. Las vibraciones resultantes pueden utilizarse para crear ondas acústicas, y las fibras también pueden detectar las vibraciones y los cambios en la presión, ya que estos, a su vez, generan una señal eléctrica. Este trabajo se describe esta semana en la revista Nature Materials.
Fink cree que existen muchas posibles aplicaciones para las nuevas fibras. Podrían ser tejidas en alfombras con las que contar el número de personas que caminan a través de ellas, o integrarse en compuestos estructurales y ser usadas para detectar grietas antes de que sean graves. Sin embargo una de las aplicaciones más prometedoras, cree Fink, es en el campo de la biomedicina. Las fibras tienen menos de un micrómetro de ancho—lo suficientemente estrechas como para ser insertadas en los vasos sanguíneos o en órganos para controlar el ritmo cardíaco, el flujo sanguíneo, o los biomarcadores en la sangre. Su capacidad para transportar la luz infrarroja y realizar la detección acústica ofrece una combinación de propiedades similares a un reproductor de imágenes de ultrasonido, un monitor de frecuencia cardiaca, y un espectrómetro químico.
"El hecho de que la fibra óptica y la piezoeléctrica estén completamente integradas hace que el sensor sea mucho más pequeño", afirma Juan Hinestroza, profesor de ciencias de las fibras y director del Laboratorio de Nanotecnología Textil de la Universidad Co ell. "Esto es importante—especialmente en un vaso sanguíneo o en un material compuesto en el que se disponga de muy poco espacio."
La capa piezoeléctrica de la fibra del MIT puede ser utilizada para modular las señales ópticas que rebotan en el interior de la fibra. El grupo de Fink también ha creado fibras con una capa reflectante que actúa como una especie de interruptor óptico. La capa reflectante interactúa con longitudes de onda de luz específicas, determinadas por el espesor de las capas. Al hacer pasar un impulso eléctrico a través de la fibra se logra reducir el tamaño del espejo, cambiando el color de la luz con la cual interaccionará más tarde. Si se tejiese en una tela, la fibra podría producir diferentes patrones visibles de color. "Si quisiéramos leer información de un pedazo de ropa, o un avión o un automóvil, podríamos integrar estas fibras," afirma Fink.