Investigadores de IMDEA Materiales e IMDEA Nanociencia, en colaboración con el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) y la Universidad de Nanjing, han adoptado un enfoque novedoso para estudiar la interacción entre ciertos metamateriales topológicos y la propagación de ondas sonoras.
La técnica, descrita por el Dr. Johan Christensen de IMDEA Materiales como «cortar y pegar», fue uno de los métodos empleados en la reciente publicación ‘Visualizing the topological pentagon states of a giant C540 metamaterial’ en la última edición de la prestigiosa revista Nature Communications.
El estudio se centra en el Buckminsterfullereno, o ‘buckyballs’, y utiliza la impresión 3D para ampliar la estructura molecular de un fullereno C540, que típicamente tiene un diámetro aproximado de alrededor de 1,1 nanómetros (nm). Para poner en perspectiva este tamaño, es aproximadamente 70.000 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano.
El modelo macroscópico de C540, que presenta una red de hexágonos y pentágonos entrelazados, permitió a los científicos explorar el comportamiento de las ondas sonoras y el confinamiento de energía en una estructura inspirada en los alótropos del carbono, pero a una escala lo suficientemente grande como para observarla directamente.
Los fullerenos, o C60, son moléculas esféricas de carbono con 12 caras pentagonales y 20 hexagonales. Estas moléculas han sido sintetizadas mediante evaporación láser y se han encontrado en materiales naturales raros como las rocas de shungita y las estrellas ricas en carbono.
«Si bien los fullerenos presentan propiedades electrónicas únicas, observar estas propiedades a escala nanométrica es un desafío», explicó el Dr. Christensen, uno de los autores del artículo. «Al crear un modelo más grande, impreso en 3D, de C540, pudimos superar esta limitación, obteniendo información sobre cómo las ondas sonoras interactúan con los defectos estructurales, conocidos como estados topológicos, dentro de la red de carbono».
La estructura impresa en 3D de C540 estaba formada por tubos huecos dispuestos en una red de pentágonos y hexágonos. Esta construcción permite estudiar cómo se propagan las ondas sonoras a través de ella, con un enfoque en cómo los defectos pentagonales afectan el comportamiento de las ondas.
«Al visualizar estos modos resonantes, podemos ver cómo las ondas interactúan con los defectos topológicos, lo que de otro modo sería difícil de observar en moléculas más pequeñas y sintetizadas», añadió el Dr. Christensen.
Para crear el modelo de C540, los investigadores crearon y luego ampliaron una hoja homogénea de grafeno, un material 2D con el grosor de un solo átomo. Luego aprovecharon su técnica de ‘cortar y pegar’ para cortar la hoja en cuñas antes de volver a pegarlas en una forma similar a un balón de fútbol para crear regiones de tensión y curvatura dentro de la estructura.
Esta técnica imita los defectos topológicos encontrados en materiales de carbono como el grafeno y los nanotubos. Se sabe que estos defectos influyen en el comportamiento de las ondas electrónicas a medida que viajan a través del material, lo que da lugar a regiones donde las ondas se confinan y se comportan de maneras distintivas.
Al manipular estas características topológicas, los investigadores demostraron que podían controlar la propagación de las ondas, lo que podría tener aplicaciones significativas en la conducción de ondas, el aislamiento acústico y otras tecnologías acústicas.
El próximo paso implicará estudiar simetrías de fullerenos mucho más complejas en colaboración con el antiguo investigador visitante del Instituto IMDEA Materiales, el Prof. Humberto Terrones del Instituto Politécnico Rensselaer.
Esta colaboración permitirá la investigación de estructuras de multiláminas tipo ‘cebolla’, con un interés particular en descubrir nuevas reglas de simetría al considerar vibraciones flexionales en lugar de ondas sonoras. Estos resultados podrían resultar relevantes para aplicaciones en ultrasonidos.
