Manipulación lumínica por medio de cristal líquido

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.

El cambio de estado se produce mediante la aplicación de un campo eléctrico, de forma que el cristal puede ser fácilmente controlado mediante señales eléctricas producidas con el computador, ofreciéndonos una poderosa herramienta para dirigir haces de luz.

“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.

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.”

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.

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.

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.

“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.

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.

Créditos y Contactos

Autor: Dr. Patrick L. Barry
Funcionario Responsable de NASA: Ron Koczor
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
URL Original: [email protected].

Author: Lalo Márquez

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