metamaterial de difusión

Los metamateriales de difusión ^{[ 1 ] [ 2 ]} constituyen un subconjunto de la familia de metamateriales , que comprende principalmente metamateriales térmicos, metamateriales de difusión de partículas y metamateriales de difusión de plasma . Actualmente, los metamateriales térmicos desempeñan un papel fundamental dentro del ámbito de los metamateriales de difusión. Las aplicaciones de estos últimos abarcan diversos campos, como la gestión térmica, la detección química y el control de plasma, ofreciendo capacidades que superan las de los materiales y dispositivos tradicionales.

En 1968, Veselago introdujo el concepto de índice de refracción negativo . ^{[ 3 ]} Posteriormente, John Pendry reconoció el potencial del uso de microestructuras artificiales para lograr propiedades electromagnéticas no convencionales. Llevó a cabo una investigación pionera que involucraba matrices de alambre metálico ^{[ 4 ]} y estructuras de anillo partido. ^{[ 5 ]} Sus innovadoras contribuciones ^{[ 4 ] [ 5 ]} encendieron un gran interés en el campo de los metamateriales electromagnéticos u ópticos. Los investigadores comenzaron a centrarse en la manipulación de ondas transversales a través de metamateriales, un concepto regido por las ecuaciones de Maxwell , que sirven como ecuaciones de onda.

En el año 2000, Ping Sheng reveló el fenómeno de resonancia local en materiales sónicos ^{[ 6 ]} , los cuales poseen propiedades de onda longitudinal . Este descubrimiento amplió los horizontes de la investigación en metamateriales para abarcar otros sistemas de ondas. Esta extensión incluyó ecuaciones de control como la ecuación de onda acústica y la ecuación de onda elástica.

En 2008, Ji-Ping Huang extendió la aplicación de metamateriales a sistemas de difusión térmica. ^{[ 7 ]} Su investigación inicial se centró en ecuaciones de conducción de calor en estado estacionario. Utilizando la teoría de la transformación, introdujo el concepto de camuflaje térmico. ^{[ 7 ]} En 2013, la aplicación de metamateriales se extendió aún más a sistemas de difusión de partículas, con la primera propuesta de camuflaje de difusión de partículas en condiciones de baja difusividad. ^{[ 8 ]} Posteriormente, en 2022, los metamateriales se aplicaron a sistemas de difusión de plasma, ^{[ 9 ]} donde se utilizó la teoría de la transformación para diseñar dispositivos funcionales capaces de mostrar varios fenómenos novedosos, incluido el camuflaje.

Los investigadores contemporáneos pueden categorizar el campo de los metamateriales en tres ramas principales, ^{[ 1 ]} cada una definida por sus ecuaciones rectoras: metamateriales de ondas electromagnéticas y ópticas que involucran las ecuaciones de Maxwell para ondas transversales; otros metamateriales de ondas que involucran diversas ecuaciones de ondas para ondas longitudinales y transversales; y metamateriales de difusión que involucran los procesos de difusión descritos por ecuaciones de difusión. ^{[ 1 ] [ 10 ]} En los metamateriales de difusión, que están diseñados para controlar una variedad de comportamientos de difusión, la medida clave es la longitud de difusión. Esta métrica varía con el tiempo, pero permanece inafectada por los cambios de frecuencia. Por otro lado, los metamateriales de ondas, diseñados para alterar diferentes modos de propagación de ondas, se basan en la longitud de onda de las ondas incidentes como su dimensión crítica. Este valor es constante en el tiempo, pero cambia con la frecuencia. Esencialmente, la métrica fundamental para los metamateriales de difusión es claramente diferente de la de los metamateriales de ondas, lo que revela una relación de complementariedad entre ellos.

De acuerdo con la definición, los metamateriales deben poseer una longitud característica . Por ejemplo, los metamateriales electromagnéticos u ópticos emplean longitudes de onda incidentes como sus longitudes características, y sus elementos estructurales son (significativamente) más pequeños en tamaño en comparación con estas longitudes características. Este principio de diseño nos permite comprender las propiedades únicas de estos materiales diseñados artificialmente a través de la teoría del medio efectivo. ^{[ 1 ]}

De manera similar, los metamateriales de difusión poseen escalas de longitud características análogas. ^{[ 1 ]} Tomando como ejemplo los metamateriales térmicos, la longitud característica para los metamateriales térmicos conductores es la longitud de difusión térmica. ^{[ 24 ]} Los metamateriales térmicos convectivos se caracterizan por la longitud de migración del fluido, mientras que los metamateriales térmicos radiativos dependen de la longitud de onda de la radiación térmica.

Los metamateriales de difusión han encontrado múltiples aplicaciones prácticas. En el campo de los metamateriales térmicos, la estructura de capa térmica se ha utilizado para proporcionar protección térmica infrarroja en refugios subterráneos. ^{[ 25 ]} Los diseños de metamateriales térmicos se han utilizado para gestionar el calor en dispositivos electrónicos, ^{[ 26 ]} y las películas con refrigeración radiactiva se han utilizado en aplicaciones comerciales. ^{[ 27 ]}