En el campo de la óptica , la transparencia (también llamada pellucidez o diafanidad ) es la propiedad física de permitir que la luz atraviese el material sin una dispersión apreciable de la luz . En una escala macroscópica (una en la que las dimensiones son mucho mayores que las longitudes de onda de los fotones en cuestión), se puede decir que los fotones siguen la ley de Snell . La translucidez (también llamada translucidez o translucidez ) permite el paso de la luz, pero no necesariamente (de nuevo, en la escala macroscópica) sigue la ley de Snell; Los fotones pueden dispersarse en cualquiera de las dos interfaces o internamente, donde hay un cambio en el índice de refracción . En otras palabras, un material translúcido está formado por componentes con diferentes índices de refracción. Un material transparente está formado por componentes con un índice de refracción uniforme. [1] Los materiales transparentes parecen claros, con la apariencia general de un color o cualquier combinación que conduzca a un espectro brillante de cada color. La propiedad opuesta de la translucidez es la opacidad . Otras categorías de apariencia visual, relacionadas con la percepción de reflexión y transmisión de luz regular o difusa, se han organizado bajo el concepto de cesia en un sistema de orden con tres variables, incluyendo transparencia, translucidez y opacidad entre los aspectos involucrados.
Cuando la luz encuentra un material, puede interactuar con él de varias maneras diferentes. Estas interacciones dependen de la longitud de onda de la luz y de la naturaleza del material. Los fotones interactúan con un objeto mediante alguna combinación de reflexión, absorción y transmisión. Algunos materiales, como el vidrio plano y el agua limpia , transmiten gran parte de la luz que incide sobre ellos y reflejan poca de ella; Estos materiales se denominan ópticamente transparentes. Muchos líquidos y soluciones acuosas son muy transparentes. La ausencia de defectos estructurales (huecos, grietas, etc.) y la estructura molecular de la mayoría de los líquidos son los principales responsables de una excelente transmisión óptica.
Los materiales que no transmiten luz se llaman opacos . Muchas de estas sustancias tienen una composición química que incluye los llamados centros de absorción . Muchas sustancias son selectivas en la absorción de frecuencias de luz blanca . Absorben ciertas porciones del espectro visible mientras reflejan otras. Las frecuencias del espectro que no se absorben se reflejan o se transmiten para nuestra observación física. Esto es lo que da origen al color . La atenuación de la luz de todas las frecuencias y longitudes de onda se debe a los mecanismos combinados de absorción y dispersión . [2]
La transparencia puede proporcionar un camuflaje casi perfecto para los animales capaces de lograrlo. Esto es más fácil en agua de mar turbia o con poca luz que con buena iluminación. Muchos animales marinos , como las medusas, son muy transparentes.
Con respecto a la absorción de luz, las consideraciones sobre materiales primarios incluyen:
Con respecto a la dispersión de la luz , el factor más crítico es la escala de longitud de cualquiera o todas estas características estructurales en relación con la longitud de onda de la luz que se dispersa. Las consideraciones sobre materiales primarios incluyen:
Reflexión difusa : generalmente, cuando la luz incide en la superficie de un material sólido (no metálico ni vítreo), rebota en todas direcciones debido a múltiples reflejos de las irregularidades microscópicas dentro del material (por ejemplo, los límites de grano de un material policristalino ). material, o los límites de células o fibras de un material orgánico), y por su superficie, si es rugosa. La reflexión difusa se caracteriza típicamente por ángulos de reflexión omnidireccionales. La mayoría de los objetos visibles a simple vista se identifican mediante reflexión difusa. Otro término comúnmente utilizado para este tipo de reflexión es "dispersión de luz". La luz que se dispersa desde las superficies de los objetos es nuestro principal mecanismo de observación física. [3] [4]
La dispersión de la luz en líquidos y sólidos depende de la longitud de onda de la luz que se dispersa. Por lo tanto, surgen límites a las escalas espaciales de visibilidad (utilizando luz blanca), dependiendo de la frecuencia de la onda luminosa y de la dimensión física (o escala espacial) del centro de dispersión. La luz visible tiene una escala de longitud de onda del orden de medio micrómetro . Se han observado directamente en el microscopio óptico centros de dispersión (o partículas) tan pequeños como un micrómetro (p. ej., movimiento browniano ). [5] [6]
La transparencia óptica en materiales policristalinos está limitada por la cantidad de luz que se dispersa por sus características microestructurales. La dispersión de la luz depende de la longitud de onda de la luz. Por lo tanto, surgen límites a las escalas espaciales de visibilidad (utilizando luz blanca), dependiendo de la frecuencia de la onda luminosa y de la dimensión física del centro de dispersión. Por ejemplo, dado que la luz visible tiene una escala de longitud de onda del orden de un micrómetro, los centros de dispersión tendrán dimensiones en una escala espacial similar. Los centros de dispersión primarios en materiales policristalinos incluyen defectos microestructurales como poros y límites de grano. Además de los poros, la mayoría de las interfaces en un objeto metálico o cerámico típico tienen la forma de límites de grano que separan pequeñas regiones de orden cristalino. Cuando el tamaño del centro de dispersión (o límite de grano) se reduce por debajo del tamaño de la longitud de onda de la luz que se dispersa, la dispersión ya no se produce en un grado significativo.
En la formación de materiales policristalinos (metales y cerámicas), el tamaño de los granos cristalinos está determinado en gran medida por el tamaño de las partículas cristalinas presentes en la materia prima durante la formación (o prensado) del objeto. Además, el tamaño de los límites de los granos aumenta directamente con el tamaño de las partículas. Así, una reducción del tamaño de partícula original muy por debajo de la longitud de onda de la luz visible (aproximadamente 1/15 de la longitud de onda de la luz o aproximadamente 600/15 = 40 nanómetros ) elimina gran parte de la dispersión de la luz, lo que da como resultado un material translúcido o incluso transparente.
El modelado por computadora de la transmisión de luz a través de alúmina cerámica translúcida ha demostrado que los poros microscópicos atrapados cerca de los límites de los granos actúan como centros de dispersión primarios. La fracción volumétrica de porosidad tuvo que reducirse por debajo del 1% para una transmisión óptica de alta calidad (99,99 por ciento de la densidad teórica). Este objetivo se ha logrado fácilmente y se ha demostrado ampliamente en laboratorios e instalaciones de investigación de todo el mundo utilizando los métodos de procesamiento químico emergentes abarcados por los métodos de la química sol-gel y la nanotecnología . [7]
Las cerámicas transparentes han despertado interés en sus aplicaciones para láseres de alta energía, ventanas de blindaje transparentes, conos de nariz para misiles buscadores de calor, detectores de radiación para pruebas no destructivas, física de alta energía, exploración espacial, seguridad y aplicaciones de imágenes médicas. Se pueden producir grandes elementos láser de cerámica transparente a un coste relativamente bajo. Estos componentes están libres de tensión interna o birrefringencia intrínseca y permiten niveles de dopaje relativamente grandes o perfiles de dopaje optimizados y diseñados a medida. Esto hace que los elementos láser cerámicos sean especialmente importantes para los láseres de alta energía.
El desarrollo de productos de paneles transparentes tendrá otras posibles aplicaciones avanzadas, incluidos materiales de alta resistencia y resistentes a impactos que pueden usarse para ventanas y tragaluces domésticos. Quizás lo más importante es que las paredes y otras aplicaciones tendrán una resistencia general mejorada, especialmente para condiciones de alto corte que se encuentran en altas exposiciones sísmicas y al viento. Si las mejoras esperadas en las propiedades mecánicas se confirman, los límites tradicionales que se ven en las áreas acristaladas en los códigos de construcción actuales podrían rápidamente quedar obsoletos si el área de la ventana realmente contribuye a la resistencia al corte de la pared.
Los materiales transparentes infrarrojos disponibles actualmente suelen presentar un equilibrio entre rendimiento óptico, resistencia mecánica y precio. Por ejemplo, el zafiro ( alúmina cristalina ) es muy fuerte, pero es caro y carece de transparencia total en todo el rango de infrarrojo medio de 3 a 5 micrómetros. La itria es completamente transparente entre 3 y 5 micrómetros, pero carece de fuerza, dureza y resistencia al choque térmico suficientes para aplicaciones aeroespaciales de alto rendimiento. Una combinación de estos dos materiales en forma de granate de itrio y aluminio (YAG) es una de las de mayor rendimiento en este campo. [ cita necesaria ]
Cuando la luz incide sobre un objeto, normalmente no tiene una sola frecuencia (o longitud de onda), sino muchas. Los objetos tienen una tendencia a absorber, reflejar o transmitir selectivamente luz de ciertas frecuencias. Es decir, un objeto podría reflejar la luz verde mientras absorbe todas las demás frecuencias de luz visible. Otro objeto podría transmitir selectivamente luz azul mientras absorbe todas las demás frecuencias de luz visible. La manera en que la luz visible interactúa con un objeto depende de la frecuencia de la luz, la naturaleza de los átomos del objeto y, a menudo, la naturaleza de los electrones de los átomos del objeto.
Algunos materiales permiten que gran parte de la luz que incide sobre ellos se transmita a través del material sin ser reflejada. Los materiales que permiten la transmisión de ondas de luz a través de ellos se denominan ópticamente transparentes. Los cristales de ventanas químicamente puros (sin dopar) y el agua limpia de río o manantial son buenos ejemplos de esto.
Los materiales que no permiten la transmisión de ninguna frecuencia de onda luminosa se denominan opacos . Estas sustancias pueden tener una composición química que incluya lo que se denomina centros de absorción. La mayoría de los materiales están compuestos de materiales que son selectivos en la absorción de frecuencias de luz. Por tanto, absorben sólo determinadas porciones del espectro visible. Las frecuencias del espectro que no se absorben se reflejan o se transmiten para nuestra observación física. En la porción visible del espectro, esto es lo que da lugar al color. [8] [9]
Los centros de absorción son en gran medida responsables de la aparición de longitudes de onda específicas de luz visible a nuestro alrededor. Pasar de longitudes de onda más largas (0,7 micrómetros) a más cortas (0,4 micrómetros): nuestros sentidos pueden identificar el rojo, el naranja, el amarillo, el verde y el azul (ROYGB) en la apariencia del color mediante la absorción selectiva de frecuencias de ondas de luz específicas (o longitudes de onda). Los mecanismos de absorción selectiva de ondas de luz incluyen:
En la absorción electrónica, la frecuencia de la onda de luz entrante está en o cerca de los niveles de energía de los electrones dentro de los átomos que componen la sustancia. En este caso, los electrones absorberán la energía de la onda de luz y aumentarán su estado energético, a menudo moviéndose hacia afuera desde el núcleo del átomo hacia una capa exterior u orbital .
Los átomos que se unen para formar las moléculas de cualquier sustancia en particular contienen una cantidad de electrones (dada por el número atómico Z en la tabla periódica ). Recuerde que todas las ondas de luz son de origen electromagnético. Por lo tanto, se ven fuertemente afectados cuando entran en contacto con electrones cargados negativamente en la materia. Cuando los fotones (paquetes individuales de energía luminosa) entran en contacto con los electrones de valencia del átomo, puede ocurrir y ocurrirá una de varias cosas:
La mayoría de las veces, es una combinación de lo anterior lo que le sucede a la luz que incide sobre un objeto. Los estados de diferentes materiales varían en el rango de energía que pueden absorber. La mayoría de los anteojos, por ejemplo, bloquean la luz ultravioleta (UV). Lo que sucede es que los electrones en el vidrio absorben la energía de los fotones en el rango UV mientras ignoran la energía más débil de los fotones en el espectro de luz visible. Pero también existen tipos de vidrio especiales , como tipos especiales de vidrio de borosilicato o de cuarzo, que son permeables a los rayos UV y, por lo tanto, permiten una alta transmisión de luz ultravioleta.
Así, cuando un material se ilumina, los fotones individuales de luz pueden hacer que los electrones de valencia de un átomo pasen a un nivel de energía electrónica más alto . El fotón se destruye en el proceso y la energía radiante absorbida se transforma en energía potencial eléctrica. Entonces pueden suceder varias cosas con la energía absorbida: puede ser reemitida por el electrón como energía radiante (en este caso el efecto global es de hecho una dispersión de luz), disipada al resto del material (es decir, transformada en calor) . ), o el electrón puede liberarse del átomo (como en los efectos fotoeléctricos y efectos Compton ).
.gif/1280px-1D_normal_modes_(280_kB).gif)
El principal mecanismo físico para almacenar energía mecánica de movimiento en la materia condensada es a través del calor o energía térmica . La energía térmica se manifiesta como energía de movimiento. Por tanto, el calor es movimiento a nivel atómico y molecular. El principal modo de movimiento de las sustancias cristalinas es la vibración . Cualquier átomo dado vibrará alrededor de alguna posición media o promedio dentro de una estructura cristalina, rodeado por sus vecinos más cercanos. Esta vibración en dos dimensiones equivale a la oscilación del péndulo de un reloj. Oscila hacia adelante y hacia atrás simétricamente alrededor de alguna posición media o promedio (vertical). Las frecuencias vibratorias atómicas y moleculares pueden tener un promedio del orden de 10 12 ciclos por segundo ( radiación de terahercios ).
Cuando una onda de luz de una frecuencia determinada golpea un material con partículas que tienen frecuencias vibratorias iguales o (resonantes), esas partículas absorberán la energía de la onda de luz y la transformarán en energía térmica de movimiento vibratorio. Dado que diferentes átomos y moléculas tienen diferentes frecuencias naturales de vibración, absorberán selectivamente diferentes frecuencias (o porciones del espectro) de luz infrarroja. La reflexión y transmisión de ondas de luz se produce porque las frecuencias de las ondas de luz no coinciden con las frecuencias resonantes naturales de vibración de los objetos. Cuando la luz infrarroja de estas frecuencias incide en un objeto, la energía se refleja o transmite.
Si el objeto es transparente, las ondas de luz pasan a los átomos vecinos a través de la mayor parte del material y se reemiten en el lado opuesto del objeto. Se dice que estas frecuencias de ondas de luz se transmiten . [10] [11]
Un objeto puede no ser transparente porque refleja la luz entrante o porque absorbe la luz entrante. Casi todos los sólidos reflejan una parte y absorben una parte de la luz entrante.
Cuando la luz incide sobre un bloque de metal , encuentra átomos que están estrechamente empaquetados en una red regular y un " mar de electrones " que se mueve aleatoriamente entre los átomos. [12] En los metales, la mayoría de estos son electrones no enlazantes (o electrones libres), a diferencia de los electrones enlazantes que normalmente se encuentran en sólidos no metálicos (aislantes) unidos covalentemente o iónicamente. En un enlace metálico, los átomos en una estructura cristalina pueden perder fácilmente cualquier electrón de enlace potencial. El efecto de esta deslocalización es simplemente exagerar el efecto del "mar de electrones". Como resultado de estos electrones, la mayor parte de la luz entrante en los metales se refleja, razón por la cual vemos una superficie metálica brillante .
La mayoría de los aislantes (o materiales dieléctricos ) se mantienen unidos mediante enlaces iónicos . Así, estos materiales no tienen electrones de conducción libres , y los electrones de enlace reflejan sólo una pequeña fracción de la onda incidente. Las frecuencias (o longitudes de onda) restantes pueden propagarse (o transmitirse) libremente. Esta clase de materiales incluye todas las cerámicas y vidrios .
Si un material dieléctrico no incluye moléculas aditivas absorbentes de luz (pigmentos, tintes, colorantes), suele ser transparente al espectro de la luz visible. Los centros de color (o moléculas de tinte, o " dopantes ") en un dieléctrico absorben una porción de la luz entrante. Las frecuencias (o longitudes de onda) restantes pueden reflejarse o transmitirse libremente. Así se produce el vidrio coloreado.
La mayoría de los líquidos y soluciones acuosas son muy transparentes. Por ejemplo, el agua, el aceite de cocina, el alcohol isopropílico, el aire y el gas natural son todos limpios. La ausencia de defectos estructurales (huecos, grietas, etc.) y la estructura molecular de la mayoría de los líquidos son los principales responsables de su excelente transmisión óptica. La capacidad de los líquidos para "curar" defectos internos mediante un flujo viscoso es una de las razones por las que algunos materiales fibrosos (por ejemplo, papel o tela) aumentan su transparencia aparente cuando se humedecen. El líquido llena numerosos huecos haciendo que el material sea estructuralmente más homogéneo. [ cita necesaria ]
La dispersión de la luz en un sólido cristalino (no metálico) ideal y libre de defectos que no proporciona centros de dispersión para la luz entrante se debe principalmente a cualquier efecto de anarmonicidad dentro de la red ordenada. La transmisión de luz será altamente direccional debido a la anisotropía típica de las sustancias cristalinas, que incluye su grupo de simetría y la red de Bravais . Por ejemplo, las siete formas cristalinas diferentes de sílice de cuarzo ( dióxido de silicio , SiO 2 ) son todas materiales claros y transparentes . [13]
Los materiales ópticamente transparentes se centran en la respuesta de un material a las ondas de luz entrantes de una variedad de longitudes de onda. La transmisión de ondas de luz guiada a través de guías de ondas selectivas de frecuencia implica el campo emergente de la fibra óptica y la capacidad de ciertas composiciones vítreas de actuar como medio de transmisión para un rango de frecuencias simultáneamente ( fibra óptica multimodo ) con poca o ninguna interferencia entre longitudes de onda competidoras o frecuencias. Este modo resonante de transmisión de energía y datos a través de la propagación de ondas electromagnéticas (luz) es relativamente sin pérdidas. [ cita necesaria ]
Una fibra óptica es una guía de ondas dieléctrica cilíndrica que transmite luz a lo largo de su eje mediante el proceso de reflexión interna total . La fibra consta de un núcleo rodeado por una capa de revestimiento . Para confinar la señal óptica en el núcleo, el índice de refracción del núcleo debe ser mayor que el del revestimiento. El índice de refracción es el parámetro que refleja la velocidad de la luz en un material. (El índice de refracción es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un medio determinado. Por lo tanto, el índice de refracción del vacío es 1.) Cuanto mayor es el índice de refracción, más lentamente viaja la luz en ese medio. Los valores típicos para el núcleo y el revestimiento de una fibra óptica son 1,48 y 1,46, respectivamente. [ cita necesaria ]
Cuando la luz que viaja en un medio denso choca contra un límite en un ángulo pronunciado, la luz se reflejará por completo. Este efecto, llamado reflexión interna total , se utiliza en las fibras ópticas para confinar la luz en el núcleo. La luz viaja a lo largo de la fibra rebotando hacia adelante y hacia atrás fuera del límite. Debido a que la luz debe incidir en el límite con un ángulo mayor que el ángulo crítico , solo se propagará la luz que ingrese a la fibra dentro de un cierto rango de ángulos. Este rango de ángulos se denomina cono de aceptación de la fibra. El tamaño de este cono de aceptación es función de la diferencia del índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento de la fibra. Las guías de ondas ópticas se utilizan como componentes en circuitos ópticos integrados (por ejemplo, combinados con láseres o diodos emisores de luz , LED) o como medio de transmisión en sistemas de comunicación óptica locales y de larga distancia . [ cita necesaria ]
La atenuación en fibra óptica , también conocida como pérdida de transmisión, es la reducción de la intensidad del haz de luz (o señal) con respecto a la distancia recorrida a través de un medio de transmisión. Los coeficientes de atenuación en fibra óptica suelen utilizar unidades de dB/km a través del medio debido a la muy alta calidad de transparencia de los medios de transmisión óptica modernos. El medio suele ser una fibra de vidrio de sílice que confina el haz de luz incidente hacia el interior. La atenuación es un factor importante que limita la transmisión de una señal a grandes distancias. En las fibras ópticas, la principal fuente de atenuación es la dispersión de irregularidades a nivel molecular ( dispersión de Rayleigh ) [14] debido al desorden estructural y las fluctuaciones de composición de la estructura del vidrio . Este mismo fenómeno se considera uno de los factores limitantes en la transparencia de las cúpulas de los misiles infrarrojos [ cita requerida ] . Una mayor atenuación es causada por la luz absorbida por materiales residuales, como metales o iones de agua, dentro del núcleo de fibra y el revestimiento interior. La fuga de luz debido a flexiones, empalmes, conectores u otras fuerzas externas son otros factores que resultan en la atenuación. [15] [16]
Muchos animales marinos que flotan cerca de la superficie son muy transparentes, lo que les confiere un camuflaje casi perfecto . [17] Sin embargo, la transparencia es difícil para los cuerpos hechos de materiales que tienen índices de refracción diferentes a los del agua de mar. Algunos animales marinos como las medusas tienen cuerpos gelatinosos, compuestos principalmente de agua; su mesogloea gruesa es acelular y muy transparente. Esto los hace flotar convenientemente , pero también los hace grandes para su masa muscular, por lo que no pueden nadar rápido, lo que hace que esta forma de camuflaje sea una costosa compensación con la movilidad. [17] Los animales planctónicos gelatinosos son entre un 50 y un 90 por ciento transparentes. Una transparencia del 50 por ciento es suficiente para hacer que un animal sea invisible para un depredador como el bacalao a una profundidad de 650 metros (2130 pies); Se requiere una mayor transparencia para lograr la invisibilidad en aguas menos profundas, donde la luz es más brillante y los depredadores pueden ver mejor. Por ejemplo, un bacalao puede ver presas que son 98 por ciento transparentes con una iluminación óptima en aguas poco profundas. Por lo tanto, en aguas más profundas se consigue más fácilmente una transparencia suficiente para el camuflaje. [17] Por la misma razón, la transparencia en el aire es aún más difícil de lograr, pero un ejemplo parcial se encuentra en las ranas de cristal de la selva tropical de América del Sur, que tienen la piel translúcida y extremidades de color verdoso pálido. [18] Varias especies centroamericanas de mariposas de alas claras ( ithomiine ) y muchas libélulas e insectos afines también tienen alas que son en su mayoría transparentes, una forma de cripsis que proporciona cierta protección contra los depredadores. [ cita necesaria ]
