La luz y su capacidad para inducir topografías microscópicas regulares.

Por Dr. Dámaso Navarro Rodríguez.

Investigador Titular, Departamento de Materiales Avanzados del

Centro de Investigación en Química Aplicada.

La luz es sin duda uno de los fenómenos físicos más interesantes de nuestro universo. Gracias a ella podemos percibir objetos tan remotos como las estrellas o tan cercanos como los que están en nuestro entorno.

Todos concebimos a la luz como fuente de iluminación (luz visible), ya sea natural como la proveniente del sol, o artificial como la de las lámparas. También la concebimos como fuente de calor (luz infrarroja). La luz ha sido objeto de muchos estudios científicos que nos han enseñado a entenderla y a utilizarla de muchas maneras. Uno de los usos más conocidos es la captura de imágenes a través de materiales fotosensibles, que es el caso de la fotografía y el cine. Otra aplicación importante es la transmisión (local y mundial) de información, vía ondas de luz, a través de redes de fibra óptica. En el campo de la salud hay diversas aplicaciones como son las cirugías oculares con rayo láser o el curado o solidificación de resinas dentales con luz ultravioleta. El hecho es que hay miles de aplicaciones de la luz, algunas de ellas conocidas, sin embargo muchas de ellas ni siquiera nos pasan por la mente, aun cuando somos beneficiarios directos de ello.

En este breve escrito les voy contar sobre una aplicación poco usual que se le ha venido dando a la luz en años recientes y que tiene gran potencial tecnológico. Se trata de usar la luz para generar topografías microscópicas regulares sobre los materiales. Es decir, generar patrones o formas regulares sobre la superficie de los materiales, los cuales tienen propiedades de interés para ciertas aplicaciones. Para esto se requiere de un material foto-activo; es decir, de un material que al interactuar con la luz realice un cambio en su estructura. Uno de los materiales químicos que tiene esta capacidad se llama azobenceno. Este compuesto es un colorante que al ser iluminado con luz ultravioleta cambia su estructura tal y como se muestra en la parte superior izquierda de la figura. Inicialmente el compuesto se encuentra en una conformación conocida como trans, la cual cambia a la conformación cis al iluminarse con luz ultravioleta. Como se puede apreciar, el cambio que ocurre equivale a un doblamiento de la molécula. Ahora bien, en su forma cis la molécula es inestable por lo cual regresa casi instantáneamente a su forma trans. En términos simples se puede decir que la molécula se dobla y desdobla por efectos de la luz. Este simple cambio se puede aprovechar para orientar a las moléculas hacia una misma dirección, y esto se logra si la iluminación de éstas se hace con luz polarizada; es decir, con luz que viaja en un sólo plano. Así, se obtiene un material con las moléculas orientadas en una misma dirección, tal como se muestra del lado superior derecho de la figura.

Ahora bien, cuando las moléculas de azobenceno se encuentran unidas químicamente a un polímero, la iluminación con rayos laser puede producir no sólo el cambio de orientación, también puede hacer que las moléculas se muevan ordenadamente de un punto a otro. A esto se le conoce como transporte de masa inducido por luz. ¿A qué se refiere esto? Se refiere a que en un mismo objeto (película) las moléculas pueden moverse de lugar a otro al interactuar con la luz. Para lograr esto se usa un patrón de interferencia que consiste de dos rayos laser de diferente intensidad (o polarización) que se hacen coincidir en un mismo punto del objeto para hacer que las moléculas iluminadas efectúen movimientos trans-cis-trans a la vez que se desplazan de un punto a otro, generando patrones topográficos o formas superficiales regulares como el que se muestra en la parte inferior de la figura. Como ven, la luz permite generar superficies onduladas micrométricas de gran regularidad. Este tipo de patrón superficial se conoce como rejilla de relieve de superficie y tiene varias aplicaciones. Una de ellas es como divisor de haz (o divisor de luz); es decir, como dispositivo óptico que divide un rayo de luz en dos o más rayos de igual intensidad, lo cual ocurre simplemente cuando la luz pasa a través de la rejilla. Esta luz dividida puede aplicarse en equipos de espectroscopia donde se requiere de un rayo de luz de referencia y otro para iluminar la muestra problema. Los patrones superficiales regulares también tienen aplicación en el registro (o grabado) de información en memorias ópticas. De hecho se ha planteado que el dominio de esta tecnología nos permitiría guardar (y leer), por medios ópticos, mucha mayor información (del orden tera- y peta-bytes) de la que actualmente guardamos en nuestras computadoras (giga-bytes). Esta tecnología permite, igualmente, generar hologramas o imágenes ópticas tridimensionales sobre películas planas. También se plantea utilizar esta tecnología para desarrollar televisores con imágenes de 3D sin necesidad de lentes especiales.

En el Centro de investigación en Química Aplicada, en conjunto con científicos de otras instituciones nacionales e internacionales, hemos diseñado, sintetizado y estudiado una amplia variedad de materiales poliméricos fotosensibles con los que se han logrado imprimir topografías regulares sobre películas poliméricas con potencial aplicación en tecnologías avanzadas.

* Investigador Titular del Departamento de Materiales Avanzados del Centro de Investigación en Química Aplicada