Como es bien sabido (desde tiempos de Maxwell), la luz es un fenómeno ondulatorio —más específicamente, una onda electromagnética— con una longitud característica bien definida, llamada longitud de onda y denotada por la letra griega λ. De hecho, esta longitud de onda está asociada al color de la luz y toma valores muy pequeños, que van de los 400 nm para el violeta, hasta los 800 nm para el rojo. Toda la gama de colores que el ojo humano puede percibir se encuentra dentro de ese rango de valores. Estas longitudes de onda son, como decíamos, muy pequeñas, pero, si fabricamos un material con inclusiones que tengan el tamaño de unos pocos nanómetros, esta longitud de onda resulta muy grande. El efecto neto de esto es que la luz no ve dos materiales separados, sino que experimenta el efecto de un medio promedio, con propiedades ópticas que no son ni las del material anfitrión, ni las de las inclusiones. De tal manera, podemos manipular las propiedades de estos materiales compuestos, conocidos como metamateriales, mediante el control de la estructura del material mismo. ¿Cuáles son los parámetros que es posible controlar? Pues son: tamaño, composición química, distribución y forma de las inclusiones; todos ellos influirán en las propiedades ópticas del material compuesto.

     Vale la pena señalar que, en la literatura científica moderna, se ha dado en llamar metamateriales a un pequeño subgrupo de aquellos que presentan una intrigante propiedad —por ejemplo, tener un índice de refracción negativo—, pero, en un sentido estricto, un metamaterial es un material artificial que presenta propiedades electromagnéticas inusuales que no corresponden a las de ninguno de sus componentes, los cuales proceden más de su estructura que de su composición (figuras 1a y 1b).
     Es oportuno comentar que este tipo de materiales no es nuevo. El vaso de Licurgo —un artefacto romano del siglo IV— muestra un efecto muy interesante de dicroísmo, es decir: una diferencia en el color, dependiendo de si se ve la luz que refleja o la que transmite. El vidrio utilizado para el vaso contiene nanopartículas de oro y plata dispersadas, las cuales forman un coloide. La razón de que la luz transmitida sea roja, es porque las nanopartículas de oro presentan lo que se conoce como resonancia del plasmón de superficie, lo cual hace que se absorban las longitudes de onda en el azul y verde, dejando sólo el rojo en transmisión. 
     La resonancia del plasmón de superficie está relacionada con la excitación de electrones libres en la superficie de las partículas metálicas. Para ciertas longitudes de onda, esta excitación es muy eficiente y produce absorción de la luz; por ende, una disminución de su intensidad que, en general, dará como resultado calentamiento del material.
     Estudios recientes han revelado que estos coloides tienen un tamaño de entre 50 y 100 nm; aunque no es claro cómo los romanos aprendieron a elaborar este vidrio coloreado con nanopartículas de oro, tiempo después, la misma técnica se usaría en las catedrales góticas para elaborar sus coloridos vitrales.

De regreso al presente, los científicos entendieron cómo se produce la presencia de esta resonancia del plasmón de superficies y estudiaron su dependencia con la composición de las nanopartículas, su tamaño e, incluso, su forma (figura 2).
     Son varias formas en las que es posible explotar las propiedades ópticas de estos compuestos, una muy interesante consiste en utilizar su diminuto tamaño para lograr que se introduzcan en células cancerosas, pues debido a la absorción resonante, es posible, después, iluminar el tejido con luz muy intensa que sea absorbida con fuerza por las nanopartículas, para así generar calor lo suficientemente intenso como para destruir las células. Si se logra que las partículas penetren en las células cancerosas y no en las células sanas, se podrá destruir selectivamente las células cancerosas. Éste es un tema de investigación actual en el que todavía no hay resultados concluyentes, pero es evidente que tiene una gran relevancia.

Otra área, un poco más básica, en la que las nanopartículas han encontrado posibles aplicaciones, es el área de la óptica no-lineal; un campo muy interesante que consiste en estudiar qué sucede a ciertos materiales cuando se hace incidir un haz de luz muy intenso sobre ellos. Las propiedades de propagación de la luz en el material tienen relación con dos parámetros, principalmente: el índice de refracción n y el coeficiente de absorción ?. El primero es una medida de la velocidad de propagación de la luz en el medio con respecto a la velocidad de ésta en el vacío c. Un vidrio, por ejemplo, tiene un índice n=1.5; esto implica que, dentro del vidrio, la luz viaja 1.5 veces más lentamente que en el vacío; es decir, la velocidad será 2 x10⁸ m/s (c=3x10⁸ m/s, o bien 300,000 km/s).
     El coeficiente de absorción, por otro lado, nos indica cuánta luz se absorbe al pasar por un material. Esta absorción, como ya fue mencionado, propiciará que parte de la energía luminosa se convierta en algún otro tipo de energía; típicamente, en calor, pero el efecto neto sobre la luz, es una disminución de su intensidad. Para un material dado, estos parámetros son, en general, función de la longitud de onda de la luz, pero, dado el material, se consideran fijos.

En un medio no-lineal, sin embargo, cuando hacemos incidir un haz de luz lo suficientemente intenso, la luz modificará el material y los valores, tanto del índice de refracción como del coeficiente de absorción. Al cambiar estos parámetros, también lo hará la forma en que la misma luz se irradia dentro del ma-
terial, ya que la propagación está determinada por los parámetros ópticos del material. De esta manera, la luz cambia por sí misma —como viaja en un medio— dando origen a varios de los denominados auto-efectos: auto-enfocamiento, auto-modulación de fase, etcétera.
     La importancia práctica de estos efectos es que pueden ser explotados en diferentes aplicaciones; una de ellas, el procesamiento óptico de información. Actualmente, aunque una parte importante del tráfico de información se hace por transmisión de luz a través de fibras ópticas, el procesamiento necesario se realiza por medios electrónicos, lo que limita la tasa máxima de transmisión de información que se podría tener al emplear luz.
     Para poder explotar al máximo la capacidad de transmisión de información de la luz, hace falta construir compuertas lógicas que funcionen con luz, en lo que ha sido llamado dispositivos completamente ópticos. El funcionamiento de estos dispositivos está basado en la interacción de diferentes señales ópticas en un medio no-lineal. Así las cosas, desde el punto de vista de materiales, se necesita contar con materiales que tengan coeficientes no-lineales muy altos, de manera que requieran la menor energía óptica posible para funcionar y así poder lograr el grado de miniaturización requerido.

La posibilidad de manipular la respuesta no-lineal de materiales nanoestructurados, a partir de modificaciones en su propia estructura, resulta sumamente interesante para posibles aplicaciones en dispositivos de conmutación completamente óptica de señales. Estudios sobre la respuesta no-lineal de nanopartículas de plata y oro en sílice y la formación de guías de onda ópticas, basadas en estos materiales, han demostrado buen potencial para ello. La futura implementación de éstas y otras aplicaciones basadas en los materiales nanoestructurados nos permitirá evaluar su posible utilidad en el desarrollo de éste y otros usos más (figura 3). 

Consejo de Seguridad Nuclear, Radiación natural: http://www.csn.es/