Los metamateriales de difusión [1] [2] son 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 juegan un papel fundamental dentro del ámbito de los metamateriales de difusión. Las aplicaciones de los metamateriales de difusión abarcan varios campos, incluida la gestión del calor, la detección química y el control del plasma, y ofrecen 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. Realizó una investigación pionera sobre conjuntos de alambres metálicos [4] y estructuras de anillos divididos. [5] Sus contribuciones innovadoras [4] [5] provocaron una oleada de 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 ondas.
En 2000, Ping Sheng descubrió el fenómeno de la resonancia local en materiales sónicos, [6] que poseen propiedades de onda longitudinal. Este descubrimiento amplió los horizontes de la investigación de metamateriales para abarcar otros sistemas de ondas. Esta extensión incluía ecuaciones de control como la ecuación de onda acústica y la ecuación de onda elástica.
En 2008, Ji-Ping Huang amplió la aplicación de metamateriales a los 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 encubrimiento térmico. [7] En 2013, la aplicación de metamateriales se extendió aún más a los sistemas de difusión de partículas, con la primera propuesta de encubrimiento de difusión de partículas en condiciones de baja difusividad. [8] Posteriormente, en 2022, se aplicaron metamateriales 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 encubrimiento.
Los investigadores contemporáneos pueden clasificar el ámbito 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 ondulatorios que implican diversas ecuaciones ondulatorias 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 no se ve afectada por los cambios de frecuencia. Por otro lado, los metamateriales ondulatorios, diseñados para alterar diferentes modos de viaje de las ondas, dependen de la longitud de onda de las ondas entrantes 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 ondulatorios, lo que revela una relación de complementariedad entre ellos.
Denota una metodología teórica que vincula parámetros estructurales geométricos espaciales con propiedades físicas como la conductividad térmica. Esto se logra mediante la aplicación de transformaciones de coordenadas entre dos dominios espaciales separados. [7] Sus raíces se remontan al ámbito de la óptica de transformación, concebida originalmente para sistemas ondulatorios. [11]
Los metamateriales de difusión se pueden crear resolviendo explícitamente las ecuaciones de difusión relevantes mientras se consideran condiciones de contorno adecuadas, como las ecuaciones de conducción térmica. [12] [13]
Ejemplos destacados de teorías de medios eficaces incluyen la teoría de Maxwell-Garnett [14] [15] y la teoría de Bruggeman. [dieciséis]
Este método se propone basándose en la cancelación de cantidades físicas relevantes, como las alteraciones de temperatura. [12] [13]
Este método se basa en varios tipos de transiciones de fase y puede emplearse para crear metamateriales de difusión con propiedades novedosas, como un termostato de consumo de energía cero [17] y una metaterraza térmica. [18]
Abarca simulaciones de elementos finitos, [19] aprendizaje automático, [20] optimización de topología, [21] optimización de enjambre de partículas, [22] y técnicas similares. [23]
Según la definición, los metamateriales deben poseer una longitud característica. Por ejemplo, los metamateriales electromagnéticos u ópticos emplean longitudes de onda incidentes como longitudes características, y sus elementos estructurales son (significativamente) más pequeños en comparación con estas longitudes características. Este principio de diseño nos permite obtener información sobre las propiedades únicas de estos materiales diseñados artificialmente a través de la lente de la teoría del medio eficaz. [1]
De manera similar, los metamateriales de difusión poseen escalas de longitud características análogas. [1] Tomando como ejemplo los metamateriales térmicos, la longitud característica de 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] Se han utilizado diseños de metamateriales térmicos para gestionar el calor en dispositivos electrónicos, [26] y películas con enfriamiento radiativo se han utilizado en aplicaciones comerciales. [27]
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