El resultado es fruto de siete años de estudios y experimentos que sirvieron para crear los primeros cristales de tamaño milimétrico de redes metal orgánicas con usos ópticos en el mundo.
Un cristal capaz de transformar las características de un rayo láser fue recientemente probado por investigadores chilenos.
En una publicación de la revista especializada Wiley “Advanced Optical Materials”, el equipo del Instituto Milenio de Investigación en Óptica (MIRO), conformado por investigadores de la Universidad de Santiago y la Pontificia Universidad Católica demostró que nuevos cristales creados en Chile son capaces de convertir frecuencias ópticas, por ejemplo, una luz láser infrarroja se convierta en luz verde.
Estos cristales serán capaces de ayudar a generar nuevos desarrollos para la industria, donde los láseres son de amplio uso en campos como la comunicación óptica, la medicina y las telecomunicaciones.
“Hasta ahora, esta clase de cristales orgánicos, también conocidos como MOFs, sólo se habían estudiado con micro-cristales, es decir, en forma de polvo. Por lo tanto, era muy difícil determinar las propiedades ópticas de estos cristales. Los resultados eran siempre de naturaleza estadística y, por tanto, inexactos. Con la publicación de nuestro trabajo y la utilización por primera vez de cristales de tamaño milimétrico, casi centimétrico, ahora se conocen con precisión las propiedades ópticas lineales y no lineales de estos cristales orgánicos”, cuenta el investigador de MIRO y académico de la Pontificia Universidad Católica de Chile Birger Seifert, quien participó en la caracterización de los cristales.
En ese sentido, el primer y gran desafío fue la creación de cristales orgánicos transparentes de gran tamaño que no se derritieran con el calor de un láser, para ello, se agregaron ligandos orgánicos con metales y se hicieron numerosos estudios.
“Hemos estado trabajando experimentalmente con estos cristales desde el año 2016”, cuenta el investigador de MIRO y académico de la Universidad de Santiago Dinesh Pratap Singh a cargo de la fabricación. “Fue un gran reto sintetizar cristales de redes metal orgánicas (MOF) puros, libres de todas las impurezas y otro tipo de materiales durante la síntesis. Además, tuvimos que cultivar un cristal de un tamaño superior, que era un requisito básico para observar la generación de segundo y tercer armónico”, agrega.
Un producto de exportación
Actualmente, en el mundo no hay reporte de otros cristales orgánicos con métales de zinc que hayan podido crecer hasta nueve milímetros, y la producción de estos insumos se centra en Estados Unidos y Europa, con materiales que tienen un alto costo de fabricación, venta y despacho.
“La temperatura requerida para hacer crecer estos cristales, y por lo tanto la energía necesitada, es mucho menor que la utilizada para los cristales que se comercializan en estos momentos”, explica el estudiante de doctorado de la Universidad Católica Diego Hidalgo, quien, bajo la guía del Dr. Seifert, hizo el estudio de las características ópticas mostradas en la reciente publicación. “Si logramos ser competitivos con los cristales no lineales establecidos en el comercio, podríamos abaratar los costos, no solo de producción, si no que de envío a los grupos de investigación en esta región”, añade Hidalgo. Por su parte, el Dr. Seifert dice: “Con la selección correcta y el crecimiento cristalino adecuado, podríamos incluso superar en eficacia a los cristales no lineales comerciales”.
En lo inmediato, estos cristales ya cuentan con una patente, y bajo el nombre de MIRO101, se siguen estudiando para aumentar su tamaño y probar sus cualidades ópticas, donde destaca su capacidad para generar segundos y terceros armónicos.
Para el investigador Dinesh Singh esto “abre la puerta al crecimiento de otros cristales individuales de redes metal orgánicas de gran tamaño y al estudio de su comportamiento óptico no lineal, que puede comercializarse ampliamente en los sectores de las comunicaciones cuánticas, las telecomunicaciones, el láser, etc”.
Colaboración entre universidades chilenas
Agrupados en el Instituto Milenio de Investigación en Óptica, MIRO, esta publicación contó con la participación de tres grupos de investigación diferentes. En la síntesis y pulido trabajó el equipo liderado por el investigador principal Dinesh Singh de la USACH, junto a Juan Manuel García Garfido, Javier Enríquez e Ignacio Chi-Durán. El diseño teórico y computacional lo realizó el investigador asociado USACH Felipe Herrera junto a Rubén Fritz y, finalmente, la etapa de caracterización de las propiedades ópticas fue realizada en la Pontificia Universidad Católica de Chile, por el investigador asociado Birger Seifert, junto a Diego Hidalgo, Robert Alastair Wheatley y Ricardo Rojas-Aedo.
El estudio “Conversión óptica de frecuencias con fase coherente en un cristal de Redes Metal-Orgánicas Zn(3-ptz) de tamaño milimétrico” está disponible de manera gratuita en https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202300142?af=R