La magia de la actividad óptica no lineal intensa

La óptica no lineal utiliza medios que, tras la radiación electromagnética, emiten una respuesta no lineal, cambiando la longitud de onda (y frecuencia) y así el color. Los efectos ópticos no lineales importantes para la industria incluyen la espectroscopia de Raman, la absorción de dos fotones y la generación de armónicos de alta frecuencia.

Recientemente, se ha demostrado que la actividad óptica no lineal de los materiales de compuestos de polímeros de cuidadoso diseño y de las nanopartículas de metal supera a la de los materiales convencionales. El objetivo del proyecto financiado por la Unión Europea «Polymer / metal nanoparticles composites with enhanced non-linear optical properties» (COMPONLO) fue realizar un análisis sistemático de estos materiales.

Los científicos seleccionaron dos sistemas de copolímeros con diferentes temperaturas de transición vítrea, la cual constituye una propiedad fundamental de los epóxidos. De hecho, la temperatura de transición vítrea es un rango de valores de temperatura por encima del cual los polímeros frágiles y vítreos adquieren una estructura suave y gomosa. Se sintetizaron sendos sistemas de copolímeros, con y sin nanopartículas de oro (Au).

Los investigadores utilizaron una técnica denominada polarización en corona para analizar la inducción o mejorar las propiedades ópticas no lineales. Esta técnica alinea las moléculas en polímeros, o en una película de estos, de manera tal que varía el índice de refracción tras someterse a un campo eléctrico externo.

Los resultados indicaron que los polímeros de la familia de bajas temperaturas de transición presentaban un comportamiento óptico no lineal (generación de segundo armónico o GSA) incluso antes de aplicar la polarización en corona. La polarización en corona disminuye provisionalmente la señal, pero ésta se recupera tras permanecer a temperatura ambiente. Las nanopartículas de Au mejoraron significativamente la GSA relativa a la de los polímeros originales.

Los copolímeros puros en la familia de temperaturas de transición vítrea más elevadas presentaron propiedades ópticas no lineales únicamente tras la polarización. La adición de nanopartículas de Au indujo las propiedades de no linearidad incluso sin polarización y después redujo la señal de GSA relativa a la de los copolímeros puros independientemente del contenido de Au. Las nanopartículas de Au pueden bloquear aún más la alineación molecular tras la polarización, que en definitiva fija la configuración macromolecular. Además, las estructuras de Au en forma de nanocubiertas o nanovarillas distorsionan la actividad óptica, posiblemente debido a la dispersión de la luz producida por la GSA de las partículas de Au de gran tamaño.

El trabajo del proyecto constituye una de las primeras caracterizaciones sistemáticas de una nueva clase de materiales auspiciosos con actividad óptica no lineal mejorada. Los resultados sientan las bases para aplicar el fenómeno en dispositivos nuevos muy prometedores.