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A diferencia de los enfoques convencionales que necesitan para generar estas metasuperficies metales nobles costosos como el oro y la plata, este estudio se centra en el uso de materiales plasmónicos alternativos, como el bismuto, un material mucho más económico y respetuoso con el medio ambiente. Los resultados de esta investigación ofrecen una solución rentable y robusta para la fabricación de metasuperficies coloridas con posibilidad de aplicarse en la industria sustituyendo técnicas más contaminantes.

Las metasuperficies plasmónicas están formadas por elementos de tamaño nanométrico que se pueden diseñar para reflejar solo algunos colores mediante diferentes interacciones ópticas. Es decir, cuando la luz blanca interacciona en las nanoestructuras algunas longitudes de onda de forma selectiva se anulan o se reflejan y el conjunto de estas últimas da lugar a la observación del color deseado.

En la mayoría de los casos para construir estas estructuras se utilizan metales nobles como el oro y la plata debido a sus excelentes propiedades plasmónicas en el espectro visible. Sin embargo, estos metales son escasos y costosos. El equipo de investigación, ha explorado el uso de materiales plasmónicos interbanda, cuyas propiedades ópticas de tipo plasmónico se basan en sus transiciones electrónicas entre bandas en lugar de en sus portadores libres. El bismuto (Bi) es uno de esos materiales plasmónicos interbanda, y ha resultado ser una alternativa atractiva al oro y la plata. Además de ser más económico, el bismuto es respetuoso con el medio ambiente.

Los investigadores han diseñado y fabricado dos tipos distintos de metasuperficies utilizando Bismuto preparado a través de crecimiento por laser pulsado. Carlota Ruiz de Galarreta (IO CSIC/Universidad de Exeter), ha sido la responsable del diseño y fabricación de redes cuadradas de nanodiscos dispuestos sobre un sistema bicapa dieléctrico/metal. Se estudia además otra estructura que no requiere la formación de nanodiscos, y que ha sido diseñada y fabricada por Fernando Chacón-Sánchez con nanocapas que forman cavidades tipo Fabry-Pérot. Ambas estructuras permiten generar distintos colores puros y duraderos ajustando las dimensiones de los elementos nanométricos que las forman. En la figura se muestran las dos estructuras.

Esquema de las nanoestructuras basadas en bismuto para la reflexión de colores, a la derecha, cavidades de Fabry Perot y a la izquierda metasuperficies formadas por nanodiscos dispuestos en una red cuadrada.

La comparación experimental entre las metasuperficies compuestas por nanodiscos y las metasuperficies planas con cavidades de Fabry-Pérot reveló que las primeras son excelentes para la microimpresión en color, mientras que las cavidades de Bi Fabry-Pérot formadas por nanocapas son ideales para recubrimientos de color de tamaño macroscópicos debido a su simplicidad y facilidad de fabricación. Estos hallazgos demuestran el potencial del bismuto como material plasmónico para diversas aplicaciones, incluidas pantallas en color, imágenes para la lucha contra la falsificación, holografía y coloración.

El uso en general de materiales plasmónicos interbanda abre nuevas posibilidades en la generación de colores estructurales. Además del bismuto, se ha observado que otros materiales como el indio y el antimonio también exhiben comportamientos plasmónicos adecuados en diferentes regiones del espectro electromagnético, pudiendo sustituir a los metales nobles en diversas aplicaciones basadas en plasmónica.

Este estudio representa un avance significativo en el campo del conocimiento de la plasmónica y para la industria en la generación de colores estructurales sostenibles. La utilización de materiales plasmónicos interbanda, como el bismuto, no solo ofrece una alternativa más rentable y respetuosa con el medio ambiente, sino que también amplía las posibilidades de diseño y fabricación de dispositivos nanofotónicos para color estructural.

Este es un trabajo de investigación del Grupo de Procesado por Láser en colaboración con el Centro de Investigación e Innovación en Metamateriales de la Universidad de Exeter, el Departamento de Física Aplicada, Universidad Autónoma de Madrid, el Departamento de Física de la Universidad Carlos III de Madrid , el Instituto POLYMAT de la Universidad del País Vasco UPV/EHU y el Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología (INL)

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