Nuevo metamaterial desvía las vibraciones en trayectorias ordenadas

– Investigadores desarrollaron un principio de diseño para realizar patrones complejos en chips de silicio mediante micofabricación.
– Gracias a estos patrones, las vibraciones siguen rutas predeterminadas.
– Un material estructurado de esta manera podría obtener energía de las vibraciones o procesar señales sin cables.

Investigadores del ETH Zürich han estructurado una membrana de silicio ultrafina de modo que pueda dirigir ondas mecánicas de manera específica. Tales estructuras ofrecen posibilidades interesantes para convertir vibraciones no deseadas en energía útil o para procesar señales mecánicas.

Los metamateriales — el término puede sonar esotérico para los profanos. Sin embargo, para la ciencia, es un campo de investigación interesante que se ha desarrollado rápidamente, especialmente desde los años 1990.

Para el ojo humano, un metamaterial parece un material común. Pero en escalas más pequeñas, está construido de manera extraordinaria. Esto le confiere propiedades mecánicas especiales que el material base no tiene.

Estos materiales diseñados artificialmente son, por ejemplo, muy ligeros, rígidos, altamente deformables o amortiguan golpes y vibraciones. Sus aplicaciones van desde suelas de zapatos (informó ETH-News) y cascos hasta microelectrónica.

Propiedad especial gracias a una microestructura específica

Uno de los investigadores que se ocupa intensamente de metamateriales en su investigación es Dennis Kochmann, profesor de Mecánica e Investigación de Materiales en el ETH Zürich. «Es fascinante cómo, mediante una microestructura especial, se puede extraer algo de un material que sin esa estructura no tendría», dice.

Recientemente, Kochmann y su equipo presentaron en dos publicaciones científicas un novedoso metamaterial fonónico, un material que puede controlar de manera específica ondas mecánicas — vibraciones o señales acústicas.

Un metamaterial así podría, por ejemplo, usarse para obtener energía de vibraciones o para procesar señales únicamente de forma mecánica, lo cual resulta interesante para sensores y ordenadores mecánicos que funcionan sin electricidad.

Membrana de silicio ultrafina como guía de ondas

Al hacer vibrar una placa metálica — por ejemplo, con golpes de martillo — las vibraciones generalmente se propagan en forma circular, similar a las olas en el agua. Pero si esa placa tiene una estructura especial, puede redirigir las ondas por rutas específicas. Precisamente, los investigadores del ETH aprovecharon este efecto.

En lugar de la placa metálica, utilizan una membrana de silicio extremadamente delgada, en la que los investigadores han creado con técnicas de fotolitografía y grabado numerosos agujeros que conforman un patrón específico.

Un patrón de millones de elementos

El patrón está compuesto por millones de elementos cuadrados repetidos — pequeños cuadrados que se dividen en cuatro cuadrados mediante cruces. En el centro del cuadrado principal hay una estrella de cuatro puntas.

Estas celdas unitarias no son idénticas en todo el patrón, como en muchos otros metamateriales, sino que cambian gradualmente, variando la longitud de los brazos de la estrella.

Para generar estos patrones, los investigadores del ETH utilizaron modelos computacionales especiales. Simularon cómo se propaga una vibración sobre el patrón en forma de haces.

«Si se simulase todo el campo de ondas de manera clásica, sería extremadamente costoso en términos de cálculo, porque el espacio de diseño con millones de grados de libertad es enorme», explica Charles Dorn, exmiembro del equipo de Kochmann. Él lideró las simulaciones y ahora trabaja como profesor asistente en la Universidad de Washington.

Puzles a un nivel muy avanzado

«El diseño de nuestro metamaterial es modular, como un rompecabezas», dice Kochmann. Las diferentes piezas del rompecabezas cumplen funciones específicas, como redirigir haces en ángulo recto o dividir ondas según su frecuencia en diferentes direcciones. Si los investigadores combinan hábilmente estas piezas, pueden generar rutas complejas de ondas, como por ejemplo un ocho acostado.

Fabricado en un entorno de sala limpia sobre sustratos de silicio

En un paso adicional, los investigadores fabricaron las estructuras calculadas en un entorno de sala limpia en el Centro de Nanotecnología Binnig y Rohrer del ETH Zürich y de IBM, con una precisión muy alta. Para ello, usaron una oblea de silicio convencional como soporte. En varios pasos, crearon una membrana de silicio estructurada exactamente igual que el patrón simulado, con cientos de miles de celdas unitarias de unos pocos micrómetros que apenas son visibles a simple vista.

Finalmente, los investigadores comprobaron experimentalmente las membranas producidas. Con pulsos láser, las hicieron vibrar. Con un método de medición óptica, siguieron en tiempo real cómo se propagaban las vibraciones.

Así, Kochmann y su equipo confirmaron que las ondas seguían realmente las rutas predeterminadas, incluso durante largos períodos.

Las estructuras no solo funcionan en una frecuencia de vibración específica: aunque diseñaron el sistema para 750 kilohertz (750.000 vibraciones por segundo), funciona también en un rango de aproximadamente 250 a 800 kilohertz. «No habíamos planeado este amplio rango de frecuencias, nos sorprendió positivamente», dice Vignesh Kannan, coautor del estudio publicado en la revista especializada Nature Communications.

Debido a que el silicio tiene una amortiguación naturalmente baja, las ondas pueden propagarse durante mucho tiempo. Esto es una gran ventaja frente a estructuras de impresión 3D basadas en polímeros, cuya amortiguación rápidamente suprime las vibraciones, explica Kannan, que ahora es profesor asistente en la École Polytechnique de París.

Obtener energía de las vibraciones

La novedosa membrana de silicio podría usarse en micro y nanoelectrónica, por ejemplo, para controlar mejor las vibraciones en chips. El metamaterial fonónico también resulta interesante para el procesamiento mecánico de señales sin electricidad, como en sensores para monitorear infraestructura en zonas remotas. A largo plazo, podría usarse en nuevas arquitecturas de ordenadores.

Pero Kochmann también piensa en Energy Harvesters — dispositivos que dirigen la energía de vibraciones hacia transductores piezoeléctricos que generan electricidad aprovechable.

En pasos futuros, él y sus socios de colaboración quieren seguir miniaturizando, llegando a los límites de lo posible, donde los errores de fabricación en micro o incluso nanostructuras comiencen a afectar.

«También queremos entender mejor la física detrás de esto. Hasta ahora, no está completamente claro por qué el diseño funciona de manera tan robusta en amplios rangos de frecuencia», dice Kochmann.

Para él, la investigación básica es lo más importante, ya que algunos fenómenos subyacentes aún son un misterio. Las aplicaciones suelen surgir automáticamente, explica el investigador. «Lo bonito de la ETH es que podemos experimentar y estudiar los fundamentos sin presión comercial.»

Referencias bibliográficas

Kannan V, Dorn C, Drechsler U, Kochmann DM: Microscale Architected Materials for Elastic Waveguiding: Fabrication and Dynamic Characterization across Length and Time Scales. Physical Review X 2026, 16: 011047, DOI: externo página 10.1103/21w4-zn1s
Dorn C, Kannan V, Drechsler U et al.: Graded phononic metamaterials based on scalable microfabrication and design. Nature Communication 2026, 17: 3192, DOI: externo página 10.1038/s41467-026-69888