Una nova manera de mesurar les propietats de la llum de metamaterials hiperbòlics

Una nova forma de mesurar les propietats de la llum de metamaterials hiperbòlics pot ser manipulant la llum de diverses maneres:

• Reduint la seva longitud d'ona i permetent que viatgi lliurement en una direcció.
• Deixant-la en un altre metamaterial hiperbòlic, que tingui una àmplia aplicació en comunicacions òptiques i com a sensors de nanopartícules.

Però algunes de les propietats òptiques que fan que aquests metamaterials siguin tan atractius els fan frustrantment difícils d'avaluar.

Per exemple, la disparitat entre la longitud d'ona de la llum incident, que viatja per l'aire i la longitud d'ona molt més curta dins d'aquests metamaterials, impedeix que la llum incident penetri molt endins. Aquesta propietat es pot utilitzar per crear un sensor de nanopartícules, però planteja un problema per mesurar quin metamaterial hiperbòlic obté les seves fites de manca de llum, caracteritzades per una propietat elèctrica coneguda com a permisivitat. Si la llum no pot penetrar profundament en un metamaterial hiperbòlic, no es pot avaluar amb precisió la permissivitat.
Actualment, els investigadors del CNST han desenvolupat un nou mètode de mesura que evita aquesta dificultat. Utilitzant un prisma de vidre fora de plataforma, per millorar la interacció de la llum incident amb metamaterials hiperbòlics, un equip liderat per Cheng Zhang del CNST i el NanoCenter de la Universitat de Maryland i Henri Lezec del NIST ha ideat una manera senzilla i molt més precisa de determinar la permisivitat.

El prisma de vidre serveix per dues funcions. La llum que viatja a través del vidre té una longitud d'ona de mida intermitja entre la llum incident i la llum dins d'un metamaterial hiperbòlic. En enviar llum al prisma de vidre abans d'entrar al metamaterial hiperbòlic, els investigadors minimitzen el desajustament en la longitud d'ona, permetent que la llum penetri més endavant en el material. A més, la forma del prisma dirigeix ​​la llum per atacar el metamaterial hiperbòlic en l'angle òptim per provar el material
Atès que la tècnica utilitza un prisma fora de la plataforma i no requereix cap modificació del metamaterial hiperbòlic, es compromet a servir com a mètode fiable i fàcil d'adoptar per caracteritzar una classe àmplia d'estructures de materials altament anisòptiques, les propietats òptiques de les quals depenen l'angle amb què la llum colpeja la superfície. I com Zhang i els seus col·legues fabriquen versions més complexes d'aquests materials, utilitzant capes nanoengineadas de diferents compostos.

Font: Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia

Un mètode basat en IA podria accelerar el desenvolupament de nanopartícules

Una nova tècnica desenvolupada pels físics del MIT podria proporcionar una manera de dissenyar nanopartícules multicapa potencialment per al seu ús en pantalles, sistemes d'encobriment o dispositius biomèdics. També pot ajudar els físics a abordar una varietat de problemes de recerca, de manera que podrien ser, en alguns casos, ordres de magnitud més ràpides que els mètodes existents.

La innovació utilitza xarxes neuronals computacionals, una forma d'intel·ligència artificial, per saber com l'estructura d'una nanopartícula afecta el seu comportament, en aquest cas, en la forma en què es dispersen diferents colors de la llum, basats en milers d'exemples. Després, d'haver après la relació, el programa pot executar-se cap enrere per dissenyar una partícula amb un conjunt desitjat de propietats de dispersió de la llum: un procés anomenat disseny invers.
Tot i que l'enfocament podria conduir finalment a aplicacions pràctiques, el treball és principalment d'interès científic com una forma de predir les propietats físiques d'una varietat de materials no nanoinjerts sense requerir els processos de simulació computacionalment intensius que normalment s'utilitzen per fer front a aquests problemes.
L'objectiu era mirar les xarxes neuronals, un camp que ha experimentat un gran progrés i ha generat entusiasme en els últims anys, per veure si es poden utilitzar algunes d'aquestes tècniques per ajuda a la investigació de la física. Bàsicament, són els ordinadors suficientment intel·ligents perquè puguin fer tasques més intel·ligents per ajudar a entendre i treballar amb alguns sistemes físics.

Per provar la idea, utilitzen un sistema físic relativament senzill. Per entendre quines tècniques són adequades i per comprendre els límits i la forma d'utilitzar-los, s'ha utilitzat la xarxa neuronal en un sistema particular per a nanopotònica, un sistema de nanopartícules esfèriques concèntriques. Les nanopartícules estan en capes com una ceba, però cada capa està formada per un material diferent i té un gruix diferent.
Les nanopartícules tenen mides comparables a les longituds d'ona de la llum visible o més petites, i la forma en què la llum de diferents colors s'escapa d'aquestes partícules depèn de les característiques d'aquestes capes i de la longitud d'ona del feix entrant. El càlcul de tots aquests efectes per a les nanopartícules amb moltes capes pot ser una tasca computacional intensiva i la complexitat empitjora a mesura que creix el nombre de capes.

Els investigadors volien veure si la xarxa neuronal podria predir com una nova partícula dispersaria els colors de la llum, no només mitjançant la interpolació entre exemples coneguts, sinó que, de fet, es va trobar un patró subjacent que permet extrapolar la xarxa neuronal.
Les simulacions són molt exactes, de manera que quan les compara amb experiments, tots es reprodueixen puntualment, però són numèricament bastant intensives, per la qual cosa triga bastant temps. El que es vol veure és, si es pot presentar un conjunt d'exemples d'aquestes partícules, moltes partícules diferents, en una xarxa neuronal, si la xarxa neuronal pot desenvolupar la intuïció, per exemple.
Segurament, la xarxa neuronal podrà predir raonablement el patró exacte d'un gràfic de dispersió de la llum versus la longitud d'ona, no a la perfecció, però sí molt a prop, i en molt menys temps. Les simulacions de xarxes neurals, ara són molt més ràpides que les simulacions exactes. Així que ara es podria utilitzar una xarxa neuronal en lloc d'una simulació real, i li donaria una predicció bastant més precisa.

Un cop entrenada la xarxa, qualsevol simulació futura obtindria el màxim benefici de l'acceleració, de manera que podria ser una eina útil per a situacions que requereixen repetides simulacions. Però l'objectiu real del projecte era conèixer la metodologia, no només aquesta aplicació en concret. Una de les raons principals per les quals interessava aquest sistema en particular va ser comprendre aquestes tècniques, en lloc de simular les nanopartícules.
El següent pas consistia en executar el programa en sentit contrari, utilitzar un conjunt de propietats de dispersió desitjats com a punt de partida i veure si la xarxa neuronal podria determinar la combinació exacta de les capes de nanopartícules necessàries per aconseguir aquesta sortida.

En enginyeria, s'han desenvolupat moltes tècniques diferents per al disseny invers, i és un gran camp de recerca. Molt sovint, per configurar un problema de disseny invers, es necessita molt de temps, de manera que, en molts casos, es necessari ser un expert en el camp i passar a vegades fins i tot mesos configurant-lo per resoldre'l.
Però, amb la xarxa neuronal entrenada per l'equip, no es va fer cap preparació especial per a això. Es va intentar executar cap enrere, i sorprenentment, quan s'estava comparant amb altres mètodes de disseny invers i estàndards, aquest va ser un dels millors.

Font: Massachusetts Institute of Technology

Com es comporten partícules molt petites a temperatures molt elevades?

Un expert en nanomaterials de la Universitat de Swansea (Gal·les, Regne Unit) ha estudiat quines petites partícules d'or sobreviuen quan estan sotmeses a temperatures molt elevades.

La investigació és important per al sector de l'enginyeria per algunes aplicacions potencials de la nanotecnologia, per exemple, en catàlisi i aeroespacial, on partícules de dimensions nanomètriques només estan sotmeses a temperatures molt elevades.
L'estudi va mostrar que les nanopartícules d'or de mida (561 àtoms + 14) són notablement robustes davant la difusió i l'agregació, però els seus arranjaments interns atòmics canvien.
Els investigadors van utilitzar una etapa de temperatura variable ultraestable en un microscopi electrònic de transmissió d'escaneig corregit per aberracions per subjectar una gran varietat de nanopartícules d'or seleccionades (o clústers) a temperatures tan altes com ara 500 ºC mentre les imatges tenien resolució atòmica. Les partícules es van dipositar a partir d'una font de nanopartícules sobre primes pel·lícules de nitrur de silici o de carboni. Les dues arquitectures alternatives dels nanocultors d'or contenen 561 àtoms.

Els experiments van demostrar que la unió de les nanopartícules d'or a la superfície, amb defectes puntuals, va demostrar ser suficientment forts per solucionar-los, fins i tot a la part superior del rang de temperatura. Però les estructures atòmiques dels clústers fluctuaven sota el tractament tèrmic, canviant entre dues configuracions principals ("isòmers"): es tractava d'una estructura cúbica centrada a la cara, semblant a una petita peça d'or massiu, i un decaedre amb una simetria prohibida en un cristall estès. Els investigadors fins i tot van poder mesurar la petita diferència d'energia (només 40 meV) entre aquestes dues arquitectures atòmiques diferents.

El professor Richard Palmer, responsable del Laboratori de Nanomaterials del Col·legi d'Enginyers de la Universitat de Swansea, va comentar: "Aquests experiments avançats ens han permès fer una nova mesura per a les nanopartícules dipositades en una superfície: la diferència d'energia entre dos arranjaments atòmics competidors. Les persones que utilitzen ordinadors per calcular les propietats dels nanomaterials estan especialment entusiasmats, una mena de punt de referència si us agrada. I les imatges mostren que les nostres petites nanopartícules són realment unes criatures més dures, que s'adortten bastant bé per les seves aplicacions en futures fabricacions industrials".
La investigació del Swansea Lab se centra en l'augment de la producció de les nanopartícules en deu milions de vegades al nivell de grams i més enllà. Tal com diu el professor Palmer: "Necessitem coses molt petites en un gran nombre per adonar-nos del veritable potencial de la nanotecnologia".

Font: Universitat de Swansea

Nanopartícules de carboni

Els nous materials ofereixen una plèiade de possibles aplicacions que estan canviant la vida i fan imaginar un món fascinant. Alguns d'aquests materials, són el grafè i els hidrogels. El grafè és, bàsicament, una làmina de carboni de tan sols un àtom de gruix, és a dir, el gruix és tan diminut que es podría assumir que es tracta d'un material de dues dimensions. No obstant això, les seves propietats són impressionants.

La resistència mecànica del grafè, és 300 vegades més gran que la de l'acer, i te una extraordinària lleugeresa, una làmina d'un metre quadrat pesa només 77 centèsimes d'mil·ligram.
Per fer-se una idea del lleuger que és, n'hi hauria prou un gram de grafè per a cobrir la superfície d'un camp de futbol. Aquestes propietats han fet del grafè un material molt apreciat en la indústria. Les seves aplicacions van des de l'aeronàutica fins als protectors de les pantalles dels mòbils. Però als avantatges mecàniques cal afegir un altre bon nombre de propietats associades, com la flexibilitat, conductivitat tèrmica, elèctrica i òptica, que amplien moltíssim les aplicacions possibles.

Si la làmina de grafè de grans dimensions és atractiva a escala macroscòpica, té un nombre molt variat d'aplicacions a escala molt més petita, a escala nanomètrica. Aquest és el camp en el qual investiga Ester Vázquez Fernández-Pacheco, professora a la Facultat de Ciències i Tecnologies Químiques de la UCLM, a Ciudad Real, investigadora de l'Institut Regional d'Investigació Científica Aplicada i cap del Grup de Nanoquímica MSOC.
El Grup de Nanoquímica MSOC centra els seus esforços en la recerca de formes d'obtenció i purificació de nanoestructures de carboni mitjançant tecnologies verdes. Els mètodes utilitzats permeten obtenir nanopartícules de grafè sense la utilització dels dissolvents, altament contaminants, habitualment utilitzats en la indústria. Els petitíssims trossos de grafè obtinguts, al costat d'altres materials, com els hidrogels, estan demostrant la seva utilitat en els sistemes biològics, mitjançant el disseny de materials intel·ligents, capaços de transportar i alliberar fàrmacs a l'organisme de forma controlada des de l'exterior, aprofitant les propietats elèctriques i tèrmiques d'aquests materials.

Un hidrogel és un polímer àvid per l'aigua. Els bolquers dels nadons estan carregats d'ells i demostren aquesta habilitat constantment, per descans dels pares. El grafè, en canvi, no és soluble en aigua, encara que sí pot dispersar-hi formant partícules molt petites, nanomètriques (recordem que un nanòmetre és una milionèsima d'un mil·límetre). L'interessant d'aquests comportaments sorgeix quan tots dos es combinen i es forma una partícula d'hidrogel amb partícules de grafè al seu interior.
Les nanopartícules de grafè absorbeixen molt bé les microones i responen a elles amb una elevació de temperatura. Una partícula d'hidrogel amb grafè, en ser irradiada amb microones, augmenta la seva temperatura i aquest augment pot ser útil de diverses maneres. Es pot induir un canvi en el volum al gel que podria ser emprat per alliberar un fàrmac. Així, un pacient al que potencialment li han injectat les nanopartícules, podria alliberar el fàrmac en el lloc desitjat simplement irradiant des de l'exterior amb microones la zona adequada. També es podria posar el gel en contacte amb la pell o emmagatzemat a sota ella i alliberar una substància a voluntat quan fos necessari. Això pot ser de molta utilitat en malalties com la diabetis, en què cal injectar insulina al pacient quan aquest la necessita.

A l'exemple anterior se'n  podrien afegir molts altres en què aquests materials intel·ligents: Tractament de malalties bacterianes, penetració en tumors per produir al seu interior una elevació dramàtica de temperatura que inhabiliti les cèl·lules o alliberar fàrmacs específics sense produir danys col·laterals en altres regions del cos, elaboració de capes ultra primes per al creixement cel·lular, protecció de ferides, etc.
En totes les aplicacions connectades amb el tractament de pacients cal que els materials utilitzats no interfereixin de forma negativa amb els sistemes biològics. El Grup de Nanoquímica MSOC col·labora amb altres institucions espanyoles i europees en experiments encaminats a determinar la toxicitat del grafè i els seus derivats.
Per a totes aquestes aplicacions i moltes altres que estan sorgint en aquest camp, cal comptar amb nanopartícules de carboni i l'obtenció d'aquestes amb tecnologies verdes, poc contaminants, és fonamental.

Font: CienciaEs