Un nuevo material 'imposible' desafía las leyes de Newton

Científicos han descubierto un ‘material imposible’ que exhibe un comportamiento que desafía las Leyes de Newton: en él, la fuerza y la aceleración no van en la misma dirección. Una propiedad que, según su descubridor, nunca antes se había observado en ningún otro material y hará posibles aplicaciones inéditas en la ciencia de materiales y la ingeniería, como vigilar el estado estructural de vehículos y construcciones para evitar fallos catastróficos.

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Jesús Díaz

Guoliang Huang — investigador jefe del proyecto y titular de la Cátedra Huber y Helen Croft en Ingeniería en la Universidad de Missouri— afirma que este material es el producto de su investigación sobre las propiedades de los metamateriales durante más de diez años. “Este metamaterial tiene una densidad de masa impar”, explica Huang en su estudio revisado por pares publicado en el diario científico PNAS. Es decir, un material en el que “la fuerza y la aceleración no van en la misma dirección, lo que nos proporciona una forma poco convencional de personalizar el diseño de la dinámica estructural de un objeto, con propiedades que desafían la segunda ley de Newton”. Según Huang, éste es el primer ejemplo de realización física de la densidad de masa impar.

Una metamaterial extraordinario

Los metamateriales son compuestos artificiales que desafían nuestra comprensión del mundo exhibiendo propiedades extraordinarias que, en apariencia, escapan a las leyes de la naturaleza. Algunos de los ejemplos más famosos son el manto de invisibilidad —un metamaterial que manipula la propagación y transmisión de parte del espectro para hacer que un objeto sea invisible— o las superlentes — capaces de superar el límite de difracción de la óptica convencional que impide enfocar la luz en puntos extremadamente pequeños para tomar fotografías imposibles.

En el caso del metamaterial de Huang, éste ayuda a controlar las ondas de energía elásticas que viajan a través de estructuras más grandes, como un avión, edificios o grandes estructuras de ingeniería. “Durante muchos años he estado trabajando en el desafío de cómo usar los metamateriales para resolver problemas de ingeniería”, dijo Huang. “Los métodos convencionales tienen muchas limitaciones, incluido el tamaño y el peso. Así que he estado explorando cómo podemos encontrar una solución alternativa utilizando un material ligero que sea pequeño pero que pueda controlar la vibración de baja frecuencia que proviene de una estructura más grande, como un avión”.

En su estudio demuestran que su prototipo de metamaterial utiliza señales eléctricas para controlar tanto la dirección como la intensidad de las ondas de energía que pasan a través de un material sólido. Las aplicaciones potenciales de este diseño incluyen usos militares y civiles, como controlar las ondas de radar para escanear sólo un área específica del espacio en busca de objetos o analizar la vibración creada por la turbulencia del aire de un avión en vuelo para compensarla y mejorar la seguridad aérea. Además, el metamaterial servirá para vigilar la salud de estructuras civiles, como puentes y tuberías, ayudando a identificar cualquier fractura interna que no se puede ver desde su exterior.

La increíble magia de los metamateriales

Los metamateriales son materiales fabricados por el ser humano que, gracias a su estructura, ofrecen propiedades únicas que superan las restricciones físicas de los de los materiales convencionales. Su historia comienza en la primera mitad del siglo XX, cuando los científicos comenzaron a experimentar con materiales que tenían estructuras periódicas. El término metamaterial, sin embargo, no fue acuñado hasta la década de 1970.

Durante los años 60 y 70, los investigadores exploraron las propiedades de estructuras periódicas y cómo podrían afectar a las ondas electromagnéticas como las microondas pero no fue hasta los años 90 cuando esta tecnología despegó gracias principalmente al físico John Pendry del Imperial College London. Pendry propuso un diseño para un material con un índice de refracción negativo que podría, en teoría, crear una lente perfecta, capaz de enfocar la luz más allá del límite de difracción, algo que revolucionó nuestra idea de la óptica y destruyó sus limitaciones.

En 2004, un equipo de investigadores de la Universidad de Duke dirigido por David Smith demostró con éxito un "manto de invisibilidad" utilizando metamateriales, desviando las microondas alrededor de un objeto y haciéndolo invisible al radar. En la década de 2010, la investigación de metamateriales y sus aplicaciones prácticas se disparó, con nuevas lentes y antenas basadas en metamateriales, y nuevas aplicaciones para manipular el sonido y la transmisión de ondas.

Este nuevo metamaterial descubierto por Huang es el último ejemplo de cómo la ciencia de materiales sigue evolucionando y desafiando las nociones establecidas en la física.