El campo de los metamateriales ha creado dispositivos que parecen provenir de la ciencia ficción—capas de invisibilidad, recubrimientos de gran absorción para células solares y lentes de microscopio de resolución ultra-alta. Los metamateriales son precisamente ajustados para manipular ondas electromagnéticas—incluyendo la luz visible, las microondas y otras partes del espectro—de formas que no se pueden llevar a cabo con los materiales naturales.

Sin embargo, y con pocas excepciones, estos materiales funcionan en un rango muy limitado de longitudes de onda de luz, lo que los hace poco prácticos—una capa de invisibilidad no es muy útil si sólo redirige la luz de un color, pero puede ser vista fácilmente bajo otros. En la actualidad, un grupo de investigadores de Caltech ha demostrado que mediante el estiramiento mecánico de un filtro óptico hecho a partir de un metamaterial, se puede cambiar dinámicamente la longitud de onda de luz infrarroja a la que responde.

Un tipo de metamateriales que pudieran ajustarse, en lugar de funcionar únicamente con una longitud de onda fija, podrían dar lugar a componentes fotovoltaicos térmicos que cambiasen sus propiedades con la meteorología para mantener una alta eficiencia, gafas que respondiesen ante resplandores cegadores y los bloqueasen, o dispositivos para el procesamiento de señales ópticas con las que aumentar la velocidad de las telecomunicaciones, entre otros ejemplos.

En lugar de construir un metamaterial con materiales rígidos, los investigadores de Caltech crearon una matriz de resonadores de plata sobre una película de polímero elástico. Estos resonadores "suenan" al ser golpeados con una determinada longitud de onda de luz, y actúan como un fuerte filtro para esa longitud de onda. Cada resonador tiene forma de "C", al lado de una "l"; la distancia entre la punta de la "C" y la "l", cerca de 50 nanómetros en los dispositivos de prueba, determina la longitud de onda de luz a la que resonará.

Los investigadores, dirigidos por Harry Atwater, profesor de física aplicada y ciencias de los materiales, descubrieron que podían estirar las láminas de polímero hasta en un 50 por ciento, cambiando la distancia entre las dos partes del resonador, sin deformar las dimensiones de la "C" y la "l" de plata. Esto les permite cambiar de forma dinámica el tipo de longitud de onda de luz a la que el material responde, alcanzando una franja más amplia dentro del espectro infrarrojo. El trabajo se describe en la revista Nano Letters.

"Lo bueno de esto es que es relativamente fácil de ajustar a lo largo de una banda muy ancha con medios mecánicos simples", señala Willie Padilla, profesor de física en la Universidad de Boston. Padilla también está trabajando en metamateriales ajustables. Señala que aquellos que funcionan en el espectro infrarrojo podrían tener aplicaciones en células fotovoltaicas térmicas que modificasen sus propiedades a medida que la luz y los niveles de calor cambiasen.

El estiramiento es más simple y más efectivo que otros métodos desarrollados para el ajuste de metamateriales, afirman los investigadores. Otros científicos han creado metamateriales activos capaces de ajustarse mediante la aplicación de un voltaje, o bombardeando el material con luz láser, por ejemplo. Estos enfoques requieren una gran cantidad de energía y sólo se logra cambia sutilmente las propiedades del metamaterial. "Esto es mucho más fácil de controlar", afirma Steven Cummer, profesor de ingeniería eléctrica y computación en la Universidad de Duke.

Cummer formó parte del grupo que demostró la primera capa de invisibilidad, que funciona en la región de microondas del espectro y logra su efecto haciendo que las ondas pasen alrededor de un objeto. Está trabajando actualmente en metamateriales ajustables para las regiones de microondas y radio, algo que espera conducirá a la creación de antenas que bloqueen de forma dinámica las frecuencias que provocan interferencias. Los metamateriales que actúan con esta banda del espectro son más fáciles de ajustar, ya que están construidos como placas de circuito y pueden pasar de un estado a otro con sólo aplicar pequeñas ráfagas de energía. Es más difícil fabricar materiales activos que funcionen con frecuencias más altas como la luz visible y la luz infrarroja, que es donde funcionan los materiales de Atwater.

Cummer y Padilla señalan que el uso de materiales flexibles también hacer sobresalir el trabajo de Atwater y además hace que sea posible imaginar aplicaciones futuras tales como un camuflaje de infrarrojos que se integre en la ropa de los soldados, haciéndolos invisibles a las gafas de visión nocturna. "Gran parte de este trabajo es añadir elementos a la caja de herramientas", afirma Cummer. "A medida que nos acercamos a la creación de aplicaciones, se necesitarán materiales flexibles".

El concepto de ajuste mecánico es probable que funcione con muchos diseños de metamateriales, y no sólo con el resonador en particular que utilizó Atwater. "Este es un enfoque muy potente", señala Vladimir Shalaev, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Purdue University. "Podríamos utilizar diseños diferentes, dependiendo de las propiedades que deseemos, y construirlos sobre un material elástico", asegura.

Para demostrar una posible aplicación de materiales ajustables, el grupo de Atwater creó un sensor químico simple. Diseñaron los resonadores en una matriz flexible para detectar si un determinado tipo de enlace de carbono-hidrógeno asociado con una determinada longitud de onda de luz estaba presente en una muestra. Los investigadores probaron la sensibilidad de la matriz bajo diferentes niveles de tensión y encontraron que podían mejorar su sensibilidad mediante el estiramiento. Actualmente es sólo una prueba de principio, aunque podría ser un primer paso hacia un sensor capaz de detectar múltiples productos químicos, que ni siquiera tendrían que ser conocidos cuando el sensor fuese fabricado.