Luz Guía
Luz Guía
Un nuevo tipo de lámina de vidrio que contiene gotas de cristal líquido
puede guiar y controlar haces de luz.
Julio
25, 2003: La Era de la Información marcha sobre haces de luz
cuidadosamente controlados. Puesto que los láser conforman las arterias de las
comunicaciones modernas, una adecuada utilización de la luz serviría para
apuntalar las dos tecnologías con mayor influencia en nuestro tiempo: Internet y las
Telecomunicaciones.
Actualmente, investigadores de la Universidad de Harvard han desarrollado una
nueva forma de dirigir y manipular los haces de luz.
Mediante el uso de gotas de cristal líquido (la misma sustancia que se
emplea en las pantallas de las computadoras portátiles), los científicos pueden
desarrollar estas láminas de vidrio, que son capaces de cambiar rápidamente de estado,
permitiendo pasar la luz o difractándola, y viceversa. Cuando el panel está
transparente, un haz láser puede pasar a través, mientras que, cuando la
lámina difracta, descompone el haz desviándolo en distintas direcciones.
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"Las Telecomunicaciones pueden ser un campo de aplicación, pero aún estamos estudiando las propiedades básicas de éstas gotas. Su potencial es enorme, y es difícil imaginar todos los usos que pueden darle los ingenieros", dice David Weitz, Profesor de la Cátedra Gordon McKay de Física Aplicada de la Universidad de Harvard y líder del grupo de científicos que colaboran en la investigación, con el apoyo de la NASA.
Más allá de las Telecomunicaciones, es fácil imaginar los posibles beneficios de ésta capacidad de direccionamiento de la luz, en el campo de la Astronomía. Por ejemplo, éstos paneles de cristal líquido pueden colocarse unos frente a otros y de esta manera combinar, (en vez de dispersar) los haces de luz procedentes de múltiples telescopios. La combinación de la luz de varios telescopios, técnica que se conoce como interferometría, es una buena forma de buscar planetas lejanos alrededor de otras estrellas.
Otra aplicación: una lámina
de cristal
líquido colocada delante del espejo del
telescopio puede ser empleada para "desarrugar" la luz que pasa a través de la
turbulenta atmósfera de la Tierra. Con la ventaja de ópticas adaptivas, los
telescopios ganarían una vista clara -- sin cristales de por medio -- del cielo
que se puede apreciar desde la superficie terrestre.
Arriba: La luz de dos o más telescopios puede ser combinada para reducir la intensidad de la luz proveniente de estrellas lejanas, revelando la tenue luz de planetas que, de otra forma, no serían visibles. ¿Podría ser ésta una aplicación de la tecnología basada en cristal líquido? [más información (en español)]
Las muchas aplicaciones que puede tener el poder dirigir la luz de ésta forma, es parte de las razones por las cuales la NASA recientemente ha decidido premiar a Weitz y sus colegas con una beca de investigación para éste proyecto. Además, la NASA puede proporcionar un entorno único para la experimentación con los cristales líquidos: la baja gravedad.
"Hasta el momento, ya hemos obtenido ciertos resultados muy prometedores experimentando con fluidos en la órbita terrestre", dice Brad Carpenter, científico jefe de la División de Investigaciones Físicas de la NASA. "Éste último proyecto del Dr. Weitz, que ya ha completado algunos experimentos con cierto éxito en la Estación Espacial Internacional, fue seleccionado para continuación de financiamiento por su gran potencial con respecto a posibles avances en tecnologías de información óptica."
Todas las gotas son creadas iguales.
El cristal líquido es una clase de fluido cuyas moléculas están mejor ordenadas que las moléculas de los líquidos convencionales. A causa de ésta organización, cuando éstos fluidos interactúan con la luz, pueden afectarla de la misma forma que lo hacen los cristales.
Izquierda: Las gotas de cristal líquido empleadas en los experimentos del grupo de Harvard, como las aquí mostradas, son del mismo tamaño y colocadas siguiendo un patrón uniforme. Imagen cortesía de la Universidad de Harvard.
La técnica desarrollada por Weitz y sus colegas produce gotas de cristal
líquido de dimensiones idénticas, y del tamaño de una docena de micras
(una micra es una milésima de milímetro). Como todas son del mismo
tamaño, el colocar las gotas juntas en una placa de vidrio, hace que formen un patrón
semejante al de un panal.
Es precisamente ésta configuración uniforme la que confiere a las
capas de gotas de
cristal líquido su característica de dispersión de la luz.
La técnica de gotas de cristal líquido no es algo nuevo; la base de ésta
tecnología se estableció a mediados de los años 80. Hoy en día se puede
observar esta clase de gotas en las ventanas de los despachos de algunos ejecutivos. Con
un toque de interruptor, las ventanas transparentes de la oficina cambian
mágicamente de estado, volviéndose opacas como si se congelaran.
"La mayor diferencia entre lo que hacemos y lo que se ha hecho hasta ahora
es que la configuración "clásica" de los paneles de cristal contenía una
distribución aleatoria de las gotas y su tamaño era irregular; algunas más grandes
y otras
más pequeñas. No tenían ningún orden en absoluto", comenta Darren Link, uno
de los científicos del equipo de desarrollo.
Sin ningún orden en el tamaño y la disposición de las gotas, éstos antiguos
sistemas de cristal líquido simplemente dispersan la luz en todas
direcciones (de ahí el efecto de cristal congelado).
"En nuestro caso, puesto que formamos las gotas todas del mismo tamaño, podemos
dirigir la luz en ángulos específicos", afirma Link.
Izquierda: La luz incidiendo sobre una superficie tras pasar a través de una
lámina lisa de gotas de cristal líquido no aparece como un punto único, sino
que es dividida y dirigida para producir una secuencia de puntos. Imagen
cortesía de la Universidad de Harvard.
Las moléculas del cristal líquido son largas, con forma de barra. Un campo
eléctrico puede guiar éstas barras (igual que un campo magnético es capaz de
mover la aguja de una brújula), y así controlar cómo guiar los rayos de luz
que circulen a través de ellas.
La facultad de dirigir la luz podría ya ser considerada como
algo de utilidad inmediata,
pero Link sospecha que los resultados más prometedores llegarán con la
siguiente fase del desarrollo que están llevando a cabo.
Explorando otra dimensión
"Pienso que la nueva física va a volverse verdaderamente interesante cuando nos olvidemos
de los modelos de dos dimensiones, para centrarnos en estructuras ordenadas en
tres dimensiones", comenta Link. "Desde ahora, nuestros esfuerzos se enfocarán
en hacer éstos experimentos con estructuras reales tridimensionales, usando partículas
más pequeñas."
Link y sus colegas no están seguros de lo que van a encontrar cuando
proyecten un rayo de luz sobre varias capas apiladas de éstas gotas
ordenadas... ¡Esto es lo que resulta más estimulante de todo! Podría dividir
la luz formando un arco iris, como un prisma, o bien podría afectar la luz de
una forma totalmente insospechada.
Pero antes de todo, es necesario buscar maneras confiables de organizar las gotas en
patrones tridimensionales diversos. Y aquí es donde la baja gravedad se
vuelve útil.
La ausencia de peso simplifica enormemente el proceso de creación de
estructuras 3D a partir de las gotas del fluido. Las diminutas gotas tienen
una densidad diferente a la del líquido en el cual se hallan suspendidas.
Sobre la superficie de la Tierra flotarían o se hundirían, lo que complica
demasiado la configuración siguiendo un patrón predeterminado. En órbita, la
falta de gravedad permite a las gotas permanecer suspendidas, facilitando
a los investigadores el poder explorar un mayor número de configuraciones, que serían
muy difíciles, o incluso imposibles, de realizar en la Tierra.
Arriba: Capas de gotas de cristal líquido acumuladas en forma tridimensional, podrían tener algún útil y novedoso efecto sobre la luz que pasa a través de ellas. Imagen cortesía de la NASA.
Weitz dice que su grupo tiene el propósito de diseñar un experimento espacial y, eventualmente, trasladarlo a la Estación Espacial Internacional. Primero, no obstante, es necesario más investigaciones en la Tierra para comprender las propiedades físicas básicas de éstas gotas; (cómo responden a la aplicación de un campo eléctrico, y cómo exactamente éstas respuestas afectan al paso de la luz). Son detalles como éstos los que pueden proporcionar muy pronto a los investigadores una nueva herramienta para utilizar en su siempre progresivo dominio de la luz.
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Créditos y Contactos Autor: Dr. Patrick L. Barry Funcionario Responsable de NASA: John M. Horack Editor de Producción: Dr. Tony Phillips Curador: Bryan Walls | Relaciones con los Medios: Steve Roy Traducción al Español: Heber Rizzo/Carlos Román Editor en Español: Héctor Medina |
| El Directorio de Ciencias del Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA patrocina el Portal de Internet de Science@NASA que incluye a Ciencia@NASA. La misión de Ciencia@NASA es ayudar al público a entender cuán emocionantes son las investigaciones que se realizan en la NASA y colaborar con los científicos en su labor de difusión. | |
Más información detallada -- un artículo corto que ofrece una explicación
más técnica sobre el concepto discutido en esta historia. Cristales
Líquidos: un resumen
-- información sobre la historia y la física de los cristales
líquidos, del Instituto
Tecnológico de Georgia. D. Rudhardt, A. Fernandez-Nieves, D.R. Link, y D. A. Weitz, " Cambio de fase en arreglos ordenados de emulsiones de cristal líquido," Cartas de Física Aplicada (Applied Physics Letters), 82 2610 (2003). |
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