Un metamaterial (de la palabra griega μετά meta , que significa "más allá" y la palabra latina materia , que significa "materia" o "material") es cualquier material diseñado para tener una propiedad que no se encuentra en materiales naturales. Están hechos de conjuntos de múltiples elementos fabricados con materiales compuestos como metales y plásticos. Los materiales suelen estar dispuestos en patrones repetidos, a escalas que son más pequeñas que las longitudes de onda de los fenómenos sobre los que influyen. Los metamateriales derivan sus propiedades no de las propiedades de los materiales base, sino de sus estructuras de nuevo diseño. Su forma precisa ,la geometría , el tamaño , la orientación y la disposición les confieren sus propiedades inteligentes capaces de manipular ondas electromagnéticas : bloqueando, absorbiendo, potenciando o doblando ondas, para lograr beneficios que van más allá de lo que es posible con los materiales convencionales.
Los metamateriales diseñados apropiadamente pueden afectar las ondas de radiación electromagnética o el sonido de una manera que no se observa en los materiales a granel. [3] [4] [5] Aquellos que exhiben un índice de refracción negativo para longitudes de onda particulares han sido el foco de una gran cantidad de investigación. [6] [7] [8] Estos materiales se conocen como metamateriales de índice negativo .
Las aplicaciones potenciales de los metamateriales son diversas e incluyen filtros ópticos , dispositivos médicos , aplicaciones aeroespaciales remotas , detección de sensores y monitoreo de infraestructura , administración inteligente de energía solar , control de multitudes , radomos , comunicación en el campo de batalla de alta frecuencia y lentes para antenas de alta ganancia, mejorando los sensores ultrasónicos. , e incluso protegiendo las estructuras de los terremotos . [9] [10] [11] [12] Los metamateriales ofrecen el potencial de crear superlentes. Una lente de este tipo podría permitir la obtención de imágenes por debajo del límite de difracción que es la resolución mínima que se puede lograr con las lentes de vidrio convencionales. Se demostró una forma de "invisibilidad" utilizando materiales de índice de gradiente . Los metamateriales acústicos y sísmicos también son áreas de investigación. [9] [13]
La investigación de metamateriales es interdisciplinaria e involucra campos como la ingeniería eléctrica , electromagnetismo , óptica clásica , física del estado sólido , ingeniería de microondas y antenas , optoelectrónica , ciencias de los materiales , nanociencia e ingeniería de semiconductores . [4]
Las exploraciones de materiales artificiales para manipular ondas electromagnéticas comenzaron a fines del siglo XIX. Algunas de las primeras estructuras que pueden considerarse metamateriales fueron estudiadas por Jagadish Chandra Bose , quien en 1898 investigó sustancias con propiedades quirales . Karl Ferdinand Lindman estudió la interacción de ondas con hélices metálicas como medios quirales artificiales a principios del siglo XX.
A finales de la década de 1940, Winston E. Kock de AT&T Bell Laboratories desarrolló materiales que tenían características similares a los metamateriales. En las décadas de 1950 y 1960, se estudiaron dieléctricos artificiales para antenas de microondas ligeras . Los absorbedores de radar de microondas se investigaron en las décadas de 1980 y 1990 como aplicaciones para medios quirales artificiales. [4] [14] [15]