12 Sep Un descubrimiento accidental podría revolucionar la informática, las cámaras y los sensores
Científicos de la Universidad de Tel Aviv han desarrollado un método de «origami fotónico» para producir diminutas estructuras de vidrio
Por Pesach Benson/TPS
Universidad de Tel Aviv, 15 de marzo de 2021. (Foto: EITAN ELHADEZ BARAK/TPS)
Científicos israelíes han desarrollado un método innovador para plegar láminas de vidrio en estructuras tridimensionales microscópicas directamente en un chip, un proceso denominado «origami fotónico», anunció la Universidad de Tel Aviv el martes. Esta técnica, que podría sentar las bases para nuevas generaciones de dispositivos de procesamiento de datos, detección y física experimental, permite moldear el vidrio para obtener componentes ópticos ultra lisos y de alto rendimiento a una escala que antes se creía inalcanzable.
«Las impresoras 3D actuales producen estructuras 3D arrugadas que no son ópticamente uniformes y, por lo tanto, no pueden utilizarse para la óptica de alto rendimiento», afirmó el profesor Tal Carmon, quien dirigió la investigación en la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería Fleischman de la Universidad de Tel Aviv. «Imitando la forma en que las escamas de un fruto de pino se doblan hacia afuera para liberar las semillas, nuestra técnica inducida por láser activa un doblado preciso en láminas de vidrio ultra finas y puede utilizarse para crear dispositivos microfotónicos 3D altamente transparentes y ultra lisos para diversas aplicaciones».
Según el estudio, el proceso de plegado inducido por láser del equipo produjo estructuras de vidrio de hasta 3 milímetros de largo y tan solo 0,5 micras de grosor – unas 200 veces más delgadas que un cabello humano. Los investigadores moldearon con éxito el vidrio en hélices, así como en espejos cóncavos y convexos, logrando superficies tan lisas – con una variación inferior a un nanómetro – que la luz se refleja sin distorsión. Los hallazgos se publicaron en la revista Optica, revisada por pares.
«De forma similar a cómo las grandes impresoras 3D pueden fabricar casi cualquier artículo del hogar, el origami fotónico podría dar lugar a una variedad de dispositivos ópticos diminutos», afirmó Carmon. «Por ejemplo, se puede utilizar para generar lentes de micro-zoom que podrían sustituir las cinco cámaras independientes que se utilizan en la mayoría de los teléfonos inteligentes o para fabricar componentes microfotónicos que utilizan luz en lugar de electricidad – lo que contribuye a impulsar la transición hacia alternativas más rápidas y eficientes a la electrónica tradicional en nuestros ordenadores».
Investigador en un laboratorio de la Universidad de Tel Aviv (Foto: TEL AVIV UNIVERSITY)
El descubrimiento fue accidental. Carmon le pidió a la estudiante de posgrado Manya Malhotra que identificara el punto donde un láser invisible incidía en un trozo de vidrio, aumentando la potencia hasta que el material brillara. En lugar de brillar, el vidrio se dobló.
Física sorprendentemente elegante
«Fue un momento sencillo pero inesperado», recordó Carmon. Malhotra se convirtió en la experta pionera en lo que el grupo ahora denomina origami fotónico.
La física detrás del pliegue es sorprendentemente elegante. Cuando un lado de la lámina de vidrio se calienta con un láser, se licúa brevemente. La tensión superficial se vuelve entonces más fuerte que la gravedad, atrayendo el vidrio ablandado hacia un pliegue exactamente donde se enfoca el láser.
Para aplicar la técnica en entornos prácticos, el ingeniero de laboratorio Ronen Ben Daniel creó finas capas de vidrio de sílice sobre chips de silicio, que se grabaron para liberar el vidrio, dejando pequeños soportes. Utilizando pulsos de un láser de dióxido de carbono, el equipo demostró que las láminas de vidrio podían plegarse en menos de un milisegundo, moviéndose a 2 metros por segundo con una aceleración superior a los 2000 metros por segundo al cuadrado. «Fue emocionante observar la sílice plegada bajo el microscopio», comentó Carmon. «El nivel de control que teníamos sobre la arquitectura microfotónica 3D fue una grata sorpresa – sobre todo porque se logró con una configuración sencilla que implicaba un solo rayo láser enfocado en el pliegue deseado».
Los investigadores doblaron láminas de hasta 10 micras de grosor en formas que van desde ángulos rectos hasta espirales, con una precisión de 0,1 microradianes. Una de sus demostraciones más impactantes fue una mesa de vidrio ligera y plegable con un espejo cóncavo integrado en su base. Inspirado en una propuesta teórica de P.K. Lam, de la Universidad Nacional Australiana, el dispositivo podría, en principio, levitarse ópticamente para investigar posibles desviaciones de la gravedad newtoniana a escalas muy pequeñas – experimentos que podrían arrojar luz sobre enigmas cósmicos como la materia oscura.
Las posibles aplicaciones son muy diversas. El origami fotónico podría crear lentes de micro-zoom que reemplacen las múltiples lentes de enfoque fijo que ahora se encuentran en la mayoría de los teléfonos. En lugar de usar cinco cámaras independientes para tomas gran angular, estándar y teleobjetivo, una única estructura de vidrio plegado podría realizar todas esas funciones.
Dispositivos ópticos diminutos de alto rendimiento pueden integrarse en chips para diagnósticos médicos, monitorización ambiental y detección industrial, donde el tamaño y la precisión son cruciales. Los micro-espejos y guías de ondas ultra lisas fabricados mediante origami fotónico podrían mejorar las redes de fibra óptica, permitiendo un enrutamiento de datos más compacto y eficiente en chips.
En el ámbito de la computación óptica, plegar vidrio ultra liso para formar componentes 3D precisos podría ayudar a construir circuitos microfotónicos que utilizan luz en lugar de electricidad, lo que permite un procesamiento de datos más rápido y eficiente en comparación con la electrónica basada en silicio.
La óptica plegable también podría integrarse en satélites, drones u otros sistemas donde el tamaño, el peso y la durabilidad son importantes.
«La microfotónica 3D de alto rendimiento no se había demostrado previamente», afirmó Carmon. «Esta nueva técnica lleva la fotónica de sílice – que utiliza vidrio para guiar y controlar la luz – a la tercera dimensión, abriendo posibilidades completamente nuevas para dispositivos ópticos integrados de alto rendimiento».
Traducción por: El Consulado General H. de Israel en Guayaquil
Fuente: The Jerusalem Post
