A FONDO : NANOFOTÓNICA
NANOFOTÓNICA, una de las tecnologías del futuro |
La Nanofotónica es la ciencia que se ocupa del estudio de las interacciones entre la materia y la luz a escala nanométrica, así como de la fabricación de material nanoestructurado que procesan ondas de luz. La fabricación de materiales nanoestructurados es la ciencia e ingeniería que recibe el nombre de nanotecnología. La nanofotónica es, por tanto, una nanotecnología que se basa en la fotónica como medio.
Desde que Richard Feynman estableció que las leyes de la Física no impiden manipular las cosas átomo a átomo, y de esto hace ya 50 años (29 Diciembre 1959 en la conferencia anual de la American Phisical Society en el Instituto Tecnológico de California), se ha estado buscando la manera de poder diseñar materiales átomo a átomo. De hecho, los materiales nanoestructurados (NEMs) ya han sido utilizados en aplicaciones prácticas, como las nanopartículas de oro utilizadas para el color rojo de los vitrales de las catedrales góticas de Europa que quizás sea la primera aplicación de nanotecnología o las nanopartículas de plata utilizadas en las películas fotográficas. En la actualidad, la investigación en el campo de los materiales nanoestructurados ha crecido a un gran nivel y prácticamente sus aplicaciones abarcan todas las disciplinas, es por esto que la nanotecnología se ha convertido en una ciencia interdisciplinar. Esta diversidad de aplicaciones que ofrecen los materiales nanoestructurados es lo que ha suscitado tanto interés en la sociedad y en comunidad científica. Los MEMs son aquellos materiales en los que al menos una de sus dimensiones se encuentra en el rango de 1-100nm. Un nanómetros es 0,000000001 metros, es decir que un milímetro tiene un millón de nanómetros. A escala nanométrica los materiales presentan propiedades eléctricas, magnéticas, mecánicas y ópticas totalmente diferentes de los materiales a escala de los micrómetros o milímetros también llamados materiales en bulto. Las propiedades de los materiales en bulto (milímetros) son dominadas por un efecto de volumen mientras que las de los NEMs son dominadas por los efectos de superficie.
Como hemos dicho anteriormente, la nanofotónica es fusión de la nanotecnología y la fotónica, estudia las propiedades ópticas de sistemas nanoestructurados y la interacción entre la luz y la materia a escala nanométrica (nivel nanoscópico). 
Como hemos mencionado, las propiedades ópticas de los MEMs son dominadas por los efectos de superficie, de manera que controlando el tamaño y forma de las nanoestructuras y haciendo interactuar una señal óptica sobre ellas se obtienen resultados que pueden ser aplicados en diferentes campos, como en biología, medicina, fotodetectores, procesadores, sensores, celdas solares, aeronáutica, etc. Las nanoestructuras las podemos clasificar en tres tipos, dieléctricas, semiconductoras y metálicas.
Como hemos mencionado, las propiedades ópticas de los MEMs son dominadas por los efectos de superficie, de manera que controlando el tamaño y forma de las nanoestructuras y haciendo interactuar una señal óptica sobre ellas se obtienen resultados que pueden ser aplicados en diferentes campos, como en biología, medicina, fotodetectores, procesadores, sensores, celdas solares, aeronáutica, etc. Las nanoestructuras las podemos clasificar en tres tipos, dieléctricas, semiconductoras y metálicas.Uno de los resultados más interesantes de estas nanoestructuras semiconductoras es la capacidad de sintonizar la longitud de onda de emisión, de manera que con un solo material y variando el tamaño de la nanopartícula obtenemos las longitudes de onda de la señal emitida. Esto es realmente relevante en el mundo de las comunicaciones ópticas porque se pueden diseñar nuevos amplificadores ópticos de amplio ancho de banda, ya que cada nanopartícula funciona como un amplificador y seleccionando el diámetro adecuado de las partículas somos capaces de determinar el ancho de banda del amplificador. Pero una de las aplicaciones que ha generado mayor expectación es la detección de una gran variedad de compuestos mediante el coloreado fluorescente de nanopartículas con emisión en la región visible del espectro, en concreto la detección de células cancerígenas.
Las nanopartículas o nanocristales dieléctricos son óxidos con una banda de energía prohibida muy ancha y por tanto necesitamos altas energías de bombeo para obtener emisiones que en general son débiles, sin embargo si se combinan adecuadamente diversos componentes logramos excelentes emisores de luz de alta estabilidad.
Finalmente las nanoestructuras metálicas también llamadas plasmones, tienen la habilidad de esparcir y absorber la luz incidente. En este caso la frontera metaldieléctrico a escala nanométrica produce cambios importantes en las propiedades ópticas, y cuando inyectamos una señal óptica en la nanoestructura se producen bandas de resonancia (conocidas como plasmones localizados) generadas por la oscilación de los electrones de superficie. La longitud de onda a la que se obtiene la resonancia se llama banda de absorción de plasmón. Una de las aplicaciones de esta nanoestructura es la espectroscopia Raman de superficie mejorada, que logra amplificar fuertemente el espectro Raman de un componente cercano a la superficie metálica.
Una vez visto los tres tipos de nanoestructuras y la interacción de la señal óptica sobre ellas, nos planteamos una pregunta mucho más realista, ¿qué ventajas tiene la nanofotónica frente a otras tecnologías?
La respuesta es contundente: Reduce el consumo de energía eléctrica de los equipos electrónicos (PCs, módems, routers, etc.), reduce el tamaño de los dispositivos (aprovechando las nanotecnologías) y aumenta las velocidades de operación (transmisiones de Gbit/s).Analizando las tres ventajas de la nanofotónica, encontramos la solución a los grandes problemas tecnológicos del momento, el consumo energético, el tamaño de los dispositivos y el ancho de banda de transmisión. La domótica evidentemente no es ajena a estos problemas, por tanto hay que estar muy pendientes de los avances de esta tecnología.
Una cosa es segura, en Domótica y en electrónica en general, cuanto más pequeño mejor, porque al reducir el tamaño de los circuitos electrónicos integrados además de conseguir beneficios en tiempos de respuesta y permitir reducir el consumo de energía, nos otorga la posibilidad de meter electrónicas en sitios insospechados. El hecho de tener una tecnología que nos permita trabajar a escala tan pequeña, reduciendo el consumo de energía (alargando la vida de las baterías) y que permita aumentar el ancho de banda de comunicación de manera tan brutal nos abre el camino a la Inteligencia Ambiental, que como ya sabéis es el futuro de la domótica (o al menos eso pretendemos en Domodesk).
Para crear entornos AmI necesitamos dispositivos pequeñísimos que puedan estar presentes en todos los objetos de nuestro entorno, que la información fluya rápido y que el consumo de energía sea mínimo, pero también exigimos que las comunicaciones y el sistema de información sea seguros y confiable. Podemos estar satisfechos porque la nanofotónica es muy inmune al efecto electromagnético y el ruido no le afecta. Resumiendo las virtudes de la nanofotónica permite diseñar dispositivos extremadamente pequeños con alta velocidad de transmisión, alta eficiencia energética, bajas pérdidas e inmunes al ruido electromagnético. ¿Que más se puede pedir?
Como ya hemos comentado en otros "a fondos", el futuro de la domótica pasa por entornos inteligentes sensibles al contexto que responden de manera adaptativa a nuestras necesidades y hábitos, para facilitarnos la vida diaria en el hogar, lugares de ocio y trabajo; estamos hablando de Inteligencia Ambiental (AmI). Recordemos que AmI implica que estaremos rodeados por interfaces inteligentes embebidos en objetos cotidianos como el mobiliario, la ropa, los vehículos y las carreteras. A medida que nos movamos a través de esos entornos, estos interfaces registrarán nuestra presencia, llevando a cabo automáticamente ciertas tareas, adaptándose a nuestro contexto e incluso anticipándose a nuestras necesidades. Imaginemos que una taza de café adoptara diferentes colores en función de lo caliente que está la bebida contenida en ella, de esta manera ya nunca nos quemaríamos la lengua al beber. Esto será posible gracias a la nanotecnología que es la tecnología de la Inteligencia Ambiental. Esta tecnología será protagonista en el futuro de la Domótica, siendo ubicua (que se encuentra en todas partes), la encontraremos en cada rincón de nuestra casa y en cada uno de nuestros artículos de uso común como ropa, electrodomésticos, juguetes y hasta en nuestros medicamentos. Esto no implica que sea intrusiva, que es una de las reticencias de algunas personas a esta tecnología, sino todo lo contrario, el entorno se adapta perfectamente al contexto y no es visible por el ojo humano, haciendo la vida más cómoda a las personas.
Para ir finalizando, resumiremos que la nanotecnología es la ciencia que nos permite crear materiales nanoestructurados (dieléctricos, metálicos o semiconductores) y la nanofotónica utiliza estos materiales para crear sistemas a escala nanométrica (variando diámetros de nanopartículas y creando guías de conducción) que permitan realizar procesado de señal óptica. La nanofotónica se usa en investigación de muchas disciplinas, desde la biomedicina hasta las redes de comunicaciones ópticas, se puede decir que es una tecnología de aplicación interdisciplinar.
En conclusión, la nanofotónica es una de las tecnologías del futuro que nos llevará a una revolución tecnológica que cambiará la forma de vivir y de relacionarnos con los objetos que nos rodean, creando entornos inteligentes que se adaptarán a nuestras necesidades y hábitos, dando lugar en nuestros hogares a la domótica del futuro. Desde Domodesk estaremos pendientes de los avances en materia nanofotónica, y desde hoy ya empezamos a diseñar los hogares del futuro pensando siempre en ofrecer respuestas sencillas a problemas complejos que hagan la vida más fácil a las personas.
Más información en: http://www.ntc.upv.es/ (Centro de Tecnología Nanofotónica de Valencia)
Castillo Jesus
C.I. 15430564
CRF
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