El concepto cristales fotónicos empieza a sonar casi tanto como el grafeno en el mundo de los supermateriales del futuro. Imaginemos un juego de construcciones de Lego, pero a una escala inferior a la microscópica. Con los bloques de Lego se pueden fabricar cosas asombrosas; desde un castillo, a la Estrella de la Muerte. Sus ladrillos son poliedros. A diferencia de las canicas, son sencillos y versátiles, pero tenemos que saberlos colocar muy bien para ordenarlos en una determinada forma. Si no, no encajan. Las canicas entran en un bote optimizando el espacio sí o sí. Pero siempre tendremos la misma forma.



Nanoestructuras poliédridas: O por qué es más difícil encajar legos que canicas | Vídeo: M.V.

 

Lo que acaba de publicar en Nature Chemistry un equipo del CSIC y el ICN2 es parecido al ejemplo de los Lego y las canicas, pero con moléculas. Han conseguido que millones de partículas orgánicas y metálicas se autoensamblen creando minúsculas estructuras tridimensionales muy porosas. Esto resulta particularmente útil para manejar la luz. Es cuando hablarmos de nuevos materiales en base a los llamados cristales fotónicos. Y esto podría servir para construir un detector de humos sin necesidad de electricidad.

Vamos por partes. Hasta la fecha, muchos estudios muestran que partículas esféricas que se autoensamblan en superestructuras tridimensionales ordenadas. «Es como apilar balas de cañón, esféricas. Apilar cosas redondas es relativamente fácil», señala a El Independiente el doctor Cefe López, del Instituto de Ciencia de Materiales (CSIC). «Encajan en su lugar al margen de su orientación, sólo importa la posición. Sin embargo, un ladrillo necesita estar en el lugar correcto y con la orientación correcta para poder apilarse».

Pasamos de encajar el equivalente a balas de cañón, a encajar ladrillos, donde sí importa su orientación y posición

¿Por qué sirve esto para manejar la luz? Porque la estructura íntima de la materia determina qué longitudes de onda de la luz se reflejan y cuáles se absorben por un objeto. Ahí nacen los colores. Si manejamos esos minúsculos ladrillos conseguiremos que la luz o parte de esa luz circule por un lugar. Si conseguimos, además, reflejar una determinada longitud de esas ondas de luz estaremos, directamente, creando colores, «no pigmentando», apunta López.

Por ejemplo, una manzana puede ser roja. Decimos que tiene materiales de ese pigmento rojo. Podemos cambiarla de color si la pintamos con un espray, por ejemplo. Es decir, cambiamos el pigmento, de la misma manera que un semáforo luce rojo o verde según el color de la lente que hay frente a su bombilla.

Sin embargo, ¿de qué color es un camaleón? La piel de un camaleón «es, en esencia, un cristal fotónico biológico», ejemplifica López. «Puede cambiar la separación (o periodicidad) de esos cristales y generar colores distintos sin usar pigmentos». Volviendo al estudio publicado, «nuestros cristales fotónicos, al embeberse de un alcohol o agua, cambian de color no por cambiar su periodicidad, sino por cambiar su constitución material».

El arte de domesticar la luz

Si el siglo XX fue el del electrón y la electricidad, el XXI parece que será el del fotón y la fotónica. Desde la antigüedad, hemos aprendido a domar la luz «incluso sin saber qué era la luz». Hoy sabemos que está formada por partículas llamadas fotones, aunque se comporte como una onda en ocasiones.

Newton vio que la luz al pasar por unas cristaleras se descomponía en colores. «Es el primer ejemplo en el que estamos manipulando la ruta de la luz haciendo que los distintos colores vayan por distintas direcciones», recuerda López.

Prisma descomponiendo la luz en varias longitudes de onda en Dark Side of The Moon

Prisma descomponiendo la luz en varias longitudes de onda en Dark Side of The Moon de Pink Floyd

Ahora hacemos algo parecido, pero no con un prisma macroscópico. Y metiendo no sólo una bolita en el juego, sino un metal, que es cristalino. “Hasta ahora, esto nunca se había logrado con materiales orgánicos-metal. Comparten las mismas geometrías poliédricas (ladrillos) que materiales a base de metal”, señala Daniel Maspoch, del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia.

Las superestructuras tridimensionales resultantes, que están formadas por miles de «millones de partículas idénticas que se construyen a la vez» están dispuestas en cristales de varios milímetros de diámetro. Presentan propiedades típicas de los cristales fotónicos, según los científicos un «nuevo material prometedor».

Al ser porosas, no sólo permiten jugar con la luz y los colores. «Son capaces de embeberse con vapores o con líquidos del que se encuentren en su ambiente», describe López. De esa manera, el material, «cambia de color», como un semáforo, indicando la presencia, por ejemplo, de un gas tóxico en la sala.