La nueva era de los materiales invisibles

Fascinado por los avances científicos de finales del siglo XIX, el escritor británico H. G. Wells publicó El hombre invisible. En esta novela de 1897, un joven físico consigue un ansiado sueño de la humanidad. “Todo el mundo en el bar echó a correr. Habían estado esperando cicatrices, una cara horriblemente desfigurada, pero ¡no había nada!”, cuenta el narrador. Poco después, en 1901, Wells publicó Los primeros hombres en la Luna, título premonitorio de lo que sería realidad a finales de los sesenta. Y aunque, a diferencia de la conquista espacial, la invisibilidad humana siga siendo una utopía, científicos e ingenieros de todo el mundo han conseguido diseñar objetos capaces de sortear la luz. “No existe material en la naturaleza que sea invisible. Todos hacen sombra, reflejan, dejan color..., se ven”, explica Javier Aizpurua, responsable del grupo de Teoría de Nanofotónica del Centro de Física de Materiales, en San Sebastián (Guipúzcoa) y director de este organismo.

Antes que nada, debemos distinguir entre dos conceptos: material invisible y capa de invisibilidad. El primero es un compuesto transparente, es decir, que simplemente no se ve, mientras que lo segundo resulta más difícil de conseguir, “porque no solo es imperceptible, sino que además debe lograr que lo sean otras cosas”, puntualiza Carlos García Meca, investigador en el Centro de Tecnología Nanofotónica de Valencia. Junto con colegas de la Universidad Pública de Navarra, García Meca y sus compañeros de la institución valenciana han conseguido diseñar un dispositivo capaz de ocultar objetos en ambientes difusos, como, por ejemplo, un día de niebla. Lo que han hecho es algo así como abrir un agujero en el espacio. “El resultado es un dispositivo, con una zona hueca en su interior, que curva los rayos de luz. Estos hacen un rodeo y, a su salida, recuperan la forma que tendrían si la capa no estuviera allí”, detalla García Meca. Como ni la capa ni el objeto que oculta producen sombras o reflexiones, podemos ver a través de ellos.

Esta prometedora rama de la tecnología es posible gracias a los llamados metamateriales, elementos con propiedades mágicas. En lugar de utilizar átomos o moléculas, de los que están hechos los materiales naturales, los científicos emplean unidades algo mayores para fabricarlos. “Así conseguimos unos compuestos que no existen en la naturaleza, formados por un conglomerado de nanopartículas convenientemente distribuidas. Esto permite que, al llegar a ellos, la luz haga cosas asombrosas”, sostiene Aizpurua. La clave para obrar cualquier efecto de invisibilidad reside en alterar el comportamiento de las ondas lumínicas. Cuando estas chocan con una superficie, son absorbidas o reflejadas, y eso es precisamente lo que nos permite distinguir lo que hay a nuestro alrededor. Sin embargo, la luz reflejada por las capas de metamaterial se refracta de forma anómala, lo que provoca que los cuerpos se vuelvan invisibles.

Hologramas proyectados en la misma retina

El problema de los prototipos desarrollados hasta ahora es que solo funcionan en longitudes de onda larga del espectro electromagnético, es decir, en la radiación llamada de radio y microondas. Por lo tanto, si se apunta a longitudes más cortas, como las visibles por el ojo humano, “tenemos que diseñar estructuras mucho más pequeñas, con la complicación que entraña”, recuerda Ortwin Hess, codirector del Centro de Plasmónica y Metamateriales del Imperial College de Londres.

Dentro del campo de los metamateriales, algunos científicos están diseñando este tipo de elementos pero en dos dimensiones –ultraplanos– y con la cualidad de ser extraordinariamente flexibles. Uno de ellos, bautizado como metaflex, podría integrarse en lentillas. “Una de sus aplicaciones sería fabricar sensores químicos muy sensibles, como lentes especiales para proyectar hologramas o imágenes de realidad aumentada directamente en la retina”, propone Andrea Di Falco, investigador en la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Saint Andrews (Reino Unido). En su opinión, estos dispositivos se harán realidad relativamente pronto, en los próximos cinco o diez años.

Oro molido que se esconde a la vista

Como hemos visto, las personas podemos apreciar los colores del arcoíris, con longitudes de onda que van entre los 400 y los 750 nanómetros (milmillonésimas partes de metro). Para ocultar objetos en este espectro visible los científicos también utilizan nanopartículas metálicas, elaboradas, por ejemplo, con oro. Un equipo de la Universidad de Hokkaido (Japón) ha descubierto que un neomaterialelaborado con esta preciada materia prima tenía una característica única. En su forma original, la sustancia emitía una fluorescencia azul, pero cuando se molía y se convertía en polvo fino, irradiaba haces imperceptibles al ojo humano. “Nuestro compuesto muestra una emisión de 900 nanómetros, en la franja de infrarrojos”, señala Tomohiro Seki, investigador del Departamento de Química Aplicada de la citada universidad y autor principal del trabajo, que se publica en el Journal of the American Chemical Society. Según el científico japonés, encontrar materiales con ese tipo de comportamiento es muy raro.

Aunque tanto el oro como el hidrocarburo antraceno –el otro ingrediente del material– habían sido ampliamente investigados hasta ahora, su combinación había pasado desapercibida. La principal aplicación de esta nueva materia prima sería elaborar tintas de seguridad, puesto que el observador podrá hacerlas aparecer con un instrumento que detecte la radiación infrarroja.

Comunicaciones ultrasecretas

De hecho, la seguridad, la confidencialidad en las comunicaciones, ha sido siempre una obsesión para todos los Gobiernos del mundo, hasta el punto de que puede hacer ganar o perder una guerra. El ejemplo más conocido es la historia del matemático británico Alan Turing (1912-1954), que consiguió que la máquina Enigma, con la que los nazis emitían sus mensajes cifrados en la Segunda Guerra Mundial, dejara de ser impenetrable, al descifrar los códigos con otra sofisticada herramienta. Su hazaña permitió a los aliados anticiparse a los movimientos alemanes.

Desde entonces se han desarrollado todo tipo de dispositivos para encriptar las comunicaciones, que incluyen las diversas modalidades de tintas invisibles. Uno de los últimos avances ha sido presentado por investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias, en Israel. “Funciona como una máquina de cifrado. Eso significa que si tú y yo compartimos la misma molécula podremos usarla para enviarnos mensajes secretos en un simple papel de carta”, indica David Margulies, investigador del Departamento de Química Orgánica del antedicho centro israelí y autor principal del estudio, que se publica en Nature Communications. Para interpretar el contenido, el destinatario necesita tener esa molécula y añadir los productos químicos que el remitente ha empleado, variables en función del mensaje. “Es muy difícil que un usuario no autorizado pueda descifrarlo”, asegura Margulies.

Otra técnica utiliza una sustancia solo visible bajo una lámpara de rayos ultravioleta (UV), lo que evita las falsificaciones. Se trata de una especie de código de barras invisible que el comprador puede leer con una aplicación desde su móvil. “Esta tinta fluorescente está elaborada con algoritmos de cifrado de color. Una vez impreso, es casi imposible revertir la ingeniería de su esquema cromático [es decir, averiguar cómo ha sido diseñado]”, afirma Chenfeng Ke, profesor del Departamento de Química del Dartmouth College (EE. UU.) y uno de los autores del trabajo.

¡Que fluya esa electricidad!

De todos modos, no hace falta infiltrarse en las agencias de inteligencia para encontrar aplicaciones que explotan las ventajas de la invisibilidad. Dispositivos electrónicos como pantallas, teléfonos móviles, tabletas o, en el campo de la energía, células fotovoltaicas emplean materiales conductores transparentes. Se valora su capacidad para transmitir electricidad de un punto a otro, ya que los materiales convencionales pierden eficiencia al reflejar, absorber y dispersar la luz. La mayoría de los nuevos compuestos están construidos a partir de óxido de indio y estaño, pero es una combinación que requiere altas temperaturas y, por lo tanto, resulta muy cara de producir. Para solucionarlo, un grupo de investigadores dirigidos por Valerio Pruneri, del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona, ha creado un nuevo conductor transparente multicapa, procesado a temperatura ambiente y dotado de gran flexibilidad mecánica.

Los científicos no solo emplearon sustancias ya existentes que no dispersan la luz, sino que también han diseñado un elemento con propiedades antirreflectantes. “Este reduce la absorción en la capa eléctricamente conductora; en nuestro caso, un metal ultrafino”, concreta Pruneri, que también forma parte de la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA). Junto a los metamateriales, existen otras formas de conseguir la invisibilidad sin necesidad de construir capas como la de Harry Potter. Por ejemplo, un equipo internacional de científicos ha estudiado la dispersión de la luz de un cilindro de vidrio lleno de agua y, tras realizar una serie de experimentos, consiguió que fuera completamente invisible en el rango de microondas –no para el ojo humano, aún–.

Como otros especialistas consultados en este reportaje, Mikhail V. Rybin, investigador del Laboratorio de Metamateriales de la Universidad ITMO y del Instituto Ioffe, ambos en Rusia, y autor principal del trabajo, considera “un desafío diseñar algo que no pueda detectarse en todo el espectro de la luz visible”. Por ejemplo, lograr que un láser verde atraviese un objeto como si no estuviera hoy es posible, pero si cambiamos al rojo, entonces dicho objeto deja rastro.

Futuro prometedor

Desde la Universidad de California en Berkeley, el ingeniero Zi Jing Wong añade otros escollos. En el caso de los metamateriales, no son rentables porque aún no pueden fabricarse a escala industrial. Además, pierden una parte de la energía que transmiten, lo cual limita su rendimiento.

“De todos modos, somos optimistas: es cuestión de tiempo que estas nanotecnologías sean omnipresentes y rentables. Basta con mirar la revolución de la microelectrónica en el pasado”, alienta Jing. Cuando eso ocurra, será de lo más corriente encontrar materiales invisibles en el terreno militar, puesto que permitirán esconder todo tipo de aparatos, vehículos y armamento. “Como las capas de invisibilidad se pueden diseñar para cualquier rango de frecuencia, proporcionan una estrategia de ocultación perfecta no solo ante la luz visible por el ojo humano, sino también ante diferentes sistemas de detección como el radar”, mantiene García Meca.

De hecho, desde los años ochenta, el Ejército de Estados Unidos cuenta con aviones con ese superpoder, y la agencia del Pentágono DARPA estudia cómo crear uniformes de camuflaje extremo. En el ámbito biomédico y en el de la radioastronomía también será muy útil contar con este tipo de avances, ya que permitirán realizar operaciones ópticas sin precedentes. Con qué fin se utilicen las nuevas herramientas, solo dependerá del ser humano. Como indicaba Frank Wells en la introducción de El hombre invisible, refiriéndose al escritor de la novela: “Para él, lo verdaderamente importante era el efecto que el progreso científico tendría en el mundo y el modo en que las personas reaccionarían ante los prodigios futuros”.