“Meta" significa "més enllà". Els metamaterials adquireixen aquest nom degut a que presenten característiques que no es troben en la natura. Són materials estrictament dissenyats per l'èsser humà per a interactuar amb la llum de maneres que fins ara només eren possibles en la imaginació. En aquest article anem a conèixer el principi que ha motivat la invenció dels metamaterials i l'estructura que hi ha darrere d'ells.

Per a açò anem a començar presentant una branca d'investigació actual molt present i que va de la mà amb l'enginy dels metamaterials. Aquesta és l'òptica de transformacions. No anem a entrar en els detalls tècnics (perquè requereixen de matemàtiques bastant avançades) però sí a explicar què és el que tracten d'aconseguir. Es tracta de respondre a la següent pregunta: si tingueres completa llibertat per a modificar la trajectòria de la llum, com ho faries? L'òptica de transformacions decideix que una bona forma és modificant el propi espai pel qual es mou la llum.

Suposem el següent cas: un raig de llum que es mou pel buit. Aquest, segons les lleis de la física, seguirà una trajectòria rectilínia. Si dibuixem una quadrícula, serem capaços de descriure amb tot detall la trajectòria del raig.

Genial. Hem ideat una forma que matemàticament ens pot ajudar a modificar la trajectòria de la llum en la nostra ment. Açò és una eina poderosa, perquè fins ara no ha hagut cap restricció; podríem fer que la llum recorreguera el camí que volguérem com volguérem (encara que sempre hi ha alguna excepció, però no és important per ara). Ara bé, com ho posem en pràctica en la vida real?

Ací és on entren en acció els metamaterials. Fins ara hem parlat de modificar l'espai pel qual es mou la llum. Els metamaterials tenen precisament aquest objectiu: materialitzar eixa modificació del sistema de referència. Dissenyats d'una forma molt específica, prometen poder corbar la llum al nostre gust. Però, com ho fan?

Els metamaterials consisteixen en petites estructures amb un patró repetitiu fetes de materials usuals, com metalls i plàstics. Es tracta de materials artificials les propietats dels quals són diferents a les dels seus constituents: provenen de la seua estructura dissenyada. El més important és que aquests patrons tenen una grandària menor que la longitud d'ona de la llum que es vol manipular. Açò té molts avantatges, i és el principi que fa als metamaterials tan especials. Gràcies a aquesta característica, la llum "veu" el metamaterial com un material homogeni, i per tant es pot descriure mitjançant un índex de refracció.

Hem soltat molta informació ràpidament. Potser el lector no estiga familiaritzat amb alguns dels conceptes esmentats, de manera que anem a repassar-los un a un.

En segon lloc, què és un material homogeni? Doncs és aquell que presenta les mateixes propietats en qualsevol part del material. El fet que els metamaterials estiguen formats per estructures repetitives és clau per a aquest concepte. Si no fora així, en punts diferents del material la llum "veuria" coses diferents. De manera anàloga, les molècules formen estructures periòdiques que en escales grans ens permeten veure amb els nostres ulls els materials sense diferenciar els seus components. El principi és el mateix. En aquest sentit, imiten el comportament de les molècules: formen estructures microscòpiques que canvien les propietats macroscòpiques del material. El cas dels metamaterials és tan especial perquè les propietats que s'aconsegueixen amb ells són diferents a les que es troben en la natura.

I finalment, què és l'índex de refracció? Això serà més fàcil d'explicar recordant una de les lleis que potser el lector haja vist en classe. La llei de Snell:

Les magnituds n1 i n2 són els índexs de refracció dels materials per on es propaga el feix de llum. Esta llei s'aplica quan el raig de llum canvia de medi en la seua propagació per a descriure la seua nova trajectòria, però en aquest cas ens serveix per a explicar que l'índex de refracció descriu, d'alguna manera, com interacciona el medi amb la llum. Aquesta magnitud modela la interacció de la llum amb el medi per on es propaga.

I és ací, tornant als metamaterials, on es troba el major interés. Potser en classe haja sentit que l'índex de refracció és sempre positiu i major que 1, a causa de la seua definició

on c és la velocitat de la llum en el buit i v la velocitat de propagació de la llum en el medi que estem considerant. Però la veritat és que solucions que desafien eixa definició són físicament possibles. Els metamaterials són capaços de reproduir índexs de refracció negatius, cosa que dona lloc a efectes veritablement sorprenents com una refracció “espill”; contrària a allò que estem acostumats. A aquestos se'ls diuen metamateriales esquerrans.

Ja hem donat una ullada a què són els metamaterials, d'on venen motivats i repassat alguns conceptes fonamentals. Per a tancar l'article, enumerarem algunes de les aplicacions que els científics teoritzen que serien possibles gràcies als metamateriales.

Objectes tan ficticis com una capa d'invisibilitat (com la d'Harry Potter!) podrien fer-se realitat. Podeu donar-li una ullada a l'article Veure i deixar de veure d'esta mateixa revista, on la meua companya Nadia aprofundeix sobre ella. Altres coses com superlents serien possibles per a millorar la qualitat d'imatges en el diagnòstic mèdic o fins i tot es teoritza que es podria veure el món microscòpic amb merament unes ulleres de metamaterials. Els metamaterials poden (i ja ho estan aconseguint!) millorar l'eficiència dels panells solars en captar i redirigir la llum provinent del sol perquè incidisca més directament sobre el panell. Coses que sonen tan increïbles com forats negres artificials, imitació de la mecànica celest i simulació de multiversos són branques d'investigació que queden obertes. També, d'altra banda, tenen aplicacions en el camp de batalla evidents. Una capa d'invisibilitat podria proporcionar un camuflatge sense precedents als soldats, tant per a la vista humana com per a sensors infrarojos.

Tota esta tecnologia està encara en desenvolupament, i els límits veritablement comencen a tindre'ls la imaginació humana. Anime al lector al fet que continue creixent motivat per la ciència i sume el seu granet de sorra en el desenvolupament dels metamaterials, que com hem vist prometen canviar el futur de tots. Espere que vos haja agradat l'article!