Mejora de la absorción de la luz en estructuras fotónicas biomiméticas basadas en polímeros orgánicos de índice casi-cero

23 Mar, 2022 | LPG

¿Sabes lo que es la luz lenta?
Emulando las complejas estructuras fotónicas de algunas plantas para lograr una absorción mejorada de la luz.

El control de la absorción de la luz es crucial para la fotosíntesis, el proceso mediante el cual los organismos fototróficos (plantas) transforman la energía de la luz en energía química. Sin embargo, los sistemas fotónicos naturales son complejos y no se conoce en detalle su estructura óptica lo que dificulta abordar los fenómenos fotónicos que se dan en las membranas fotosintéticas.

Recientemente se ha descubierto que los cloroplastos de algunas plantas de sombra presentan iridiscencia debida a unas estructuras a las que han dado el nombre de iridoplastos. Estos iridoplastos tienen una estructura de cristal fotónico formada a partir de una disposición periódica del propio tejido tilacoide absorbente de luz. Esta estructura mejora la fotosíntesis gracias a interacciones luz-materia sofisticadas, que la permiten una mayor absorción de la luz disponible gracias al fenómeno cconocido como luz lenta.

Más allá de los aspectos biológicos fundamentales, estas nanoestructuras naturales son muy atractivas como modelos para diseñar dispositivos fotónicos avanzados. Sin embargo, la construcción biomimética de materia blanda de tales nanoestructuras es un desafío debido al bajo contraste del índice de refracción de la mayoría de las estructuras fotónicas orgánicas (los dispositivos fotónicos se fabrican normalmente utilizando materiales con índices de refracción muy distintos, y por ello con alto contraste). Una estrategía para resolver este problema es usar materiales orgánicos excitónicos con propiedades ópticas de índice de refracción cercano a cero (NZI).

El estudio

En este trabajo, se muestra como estructuras multicapa formadas por materiales excitónicos que imitan las estructuras naturales fotónicas (biomimética) son capaces de dar lugar una fuerte reflectancia que es sintonizable en un gran ancho de banda, y además permite una mejora de la absorción de la luz mediante el fenómeno de “luz lenta”. Estos resultados abres una nueva ruta hacia el desarrollo de dispositivos activos basados en estructuras fotónicas de materiales poliméricos de índice casi cero.

Los materiales excitónicos orgánicos que se usan en este trabajo son los llamados agregados J. Son unos colorantes que en altos niveles de agregación presentan bandas de absorción y emisión muy estrechas que, como se muestra en este trabajo, corresponden a índices de refracción cercanos a cero, en los que las propiedades de la luz cambian drásticamente.

estructuras multicapa formadas por materiales excitónicos que imitan las estructuras naturales fotónicas

¿Cómo puede tener un material un índice de refracción menor que 1?

El índice de refracción (n) de un medio material se define como el cociente entre la velocidad de la luz en el vaciío (c) y su velocidad de propagación en el medio (v), n=c/v. Según esto solo si v es mayor que c el índice puede ser menor que 1. Pero, según la teoría de la relatividad, ninguna información puede viajar más rápido que la velocidad de la luz en el vacío, pero esto no significa que el índice de refracción no pueda ser inferior a 1.
En realidad la velocidad a la que nos referimos en el índice de refracción es la velocidad de fase de la luz. La velocidad de fase es la velocidad a la que se mueven las crestas de la onda y puede ser más rápida que la velocidad de la luz en el vacío y, por lo tanto, dar lugar a un índice de refracción inferior a 1.
Si a la luz se le aplica un cambio de intensidad, que se encienda o se apague por ejemplo, este cambio se transmitirá a la velocidad de grupo, que no será mayor que la velocidad de la luz, aunque el índice de refracción sea menor que 1.

Un ejemplo de un plasma con un índice de refracción inferior a la unidad es la ionosfera de la Tierra. Dado que el índice de refracción de la ionosfera es menor que la unidad, las ondas electromagnéticas que se propagan a través del plasma se desvían “hacia abajo”, lo que permite que la onda de radio se refracte de nuevo hacia la Tierra.

Luz lenta

Como hemos dicho, la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la fase se denomina índice de refracción (n). El índice de refracción no es una constante para un material dado, sino que depende de la temperatura, la presión y muy importante, de la frecuencia (o longitud de onda) de la onda de luz que llegue.

Las personas percibimos la intensidad de la onda de la luz como el brillo y la frecuencia como el color. Si una luz se enciende o apaga en un momento específico, entonces el cambio de amplitud de la onda no se propaga a la velocidad de fase sino como ya hemos dicho a la velocidad de grupo. La velocidad del grupo depende no solo del índice de refracción del material, sino también de la forma en que el índice de refracción varía con la frecuencia (es decir, la derivada del índice de refracción con respecto a la frecuencia).

La luz lenta se refiere a una velocidad de luz de grupo muy baja. Si el índice de refracción es tal que cambia rápidamente para un pequeño rango de frecuencias, entonces la velocidad de grupo podría ser muy baja, miles o millones de veces menor que c, independientemente del índice de refracción del material.

Más detalles del estudio

En este trabajo se propone y se demuestra experimentalmente que los iridoplastos pueden funcionar como un modelo para el desarrollo de estructuras fotónicas en la que las propiedades de índice de refracción cercano a cero se mejoran mediante multicapas diseñada para adaptar la absorción a longitudes de onda muy por debajo del máximo de absorción. Se ha conseguido esto dopando las capas de polímero con agregados J y formando una red de Bragg similar a la distribución del pigmento fotosintético en los iridoplastos naturales.
El equipo científico ha demostrado que la combinación de las propiedades de índice de refracción cercano a cero de las capas de agregado J con la estructuración fotónica biomimética permite una absorción mejorada a determinadas longitudes de onda fuera de la resonancia del agregado J. Estas longitudes de onda se pueden seleccionar diseñando adecuadamente la periodicidad multicapa, lo que permite su sintonizabilidad. Es reseñable que esta es la primera estructura totalmente polimérica fabricada para demostrar la mejora de la absorción por luz lenta inducida por materiales orgánicos de índice cercano a cero. El hecho de que esta estructura sea totalmente orgánica aporta ventajas materiales como el bajo coste de fabricación y el bajo impacto medioambiental y abre el camino para el uso de los materiales orgánicos de índice de refracción cercano a cero en varios campos.

Este es un trabajo de investigación desarrollado por el Grupo de Estructuras Fotónicas Naturales y Artificiales del Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología de Portugal (INL) , y el CINBIO de la Universidad de Vigo, con la colaboración de Facultad de Físicas de la Universidad de Santiago de Compostela, el departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Exeter, y el Grupo de Procesado por Láser del Instituto de Óptica (CSIC)

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