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Integran aplicaciones invisibles, talladas con láser, en los smartphones

Investigadores norteamericanos han integrado aplicaciones invisibles, talladas mediante láser, en el vidrio de un ‘smartphone’. La tecnología, que podría comercializarse en un año, utiliza la tecnología fotónica para crear, por ejemplo, sensores de temperatura o un método de autenticación. Por su parte, científicos alemanes han utilizado también un material especial para crear ‘vidrio inteligente’, que permite hacer más pequeñas y energéticamente eficientes las cámaras de los teléfonos. Por Carlos Gómez Abajo.

Integran aplicaciones invisibles, talladas con láser, en los smartphones

El cristal de la pantalla de los teléfonos inteligentes podría pronto ser algo más que una cara bonita sin utilidad alguna, gracias a la nueva tecnología desarrollada por investigadores de la Politécnica de Montreal y de la compañía con sede en Nueva York Corning Incorporated. El equipo ha creado los primeros sistemas de guías de luz grabadas mediante láser, que son lo suficientemente eficientes para desarrollarse comercialmente.

Se trata de líneas que no se pueden ver a simple vista, pero que hacen de vía para la luz, y que se pueden combinar capa tras capa de vidrio de modo que formen sensores, ya sea de niveles de azúcar en la sangre o de ADN, por ejemplo

Los investigadores describen su trabajo en un artículo publicado en la revista de la Sociedad Óptica Americana (OSA), Optics Express.
 
Los investigadores han utilizado la nueva tecnología para construir dos sistemas totalmente transparentes: un sensor de temperatura y un nuevo sistema para la autenticación de los teléfonos inteligentes utilizando luz infrarroja, en un tipo de vidrio que se utiliza actualmente en la mayoría de los teléfonos inteligentes.
 
Además de sensores biomédicos, la tecnología podría en un futuro permitir también integrar los dispositivos electrónicos en cualquier superficie de vidrio, tales como ventanas o mesas, creando las pantallas táctiles transparentes vistas en películas como Avatar y Iron Man, señalan los investigadores en la nota de prensa de la OSA.

"Estamos abriendo la caja de Pandora en este momento", reconoce el coautor del artículo Raman Kashyap, profesor de ingeniería eléctrica e ingeniería física en la Politécnica de Montreal (Canadá). "Ahora que la técnica es viable, le toca a la gente inventar nuevos usos para ella", afirma.
 
Para crear sus sistemas de medición de temperatura y de autenticación, los investigadores recurrieron a la fotónica. Mientras que los dispositivos electrónicos transmiten información a través de los electrones, los dispositivos fotónicos utilizan la luz. Los investigadores utilizaron el láser para tallar vías transparentes llamadas guías de onda en el vaso. Estas guías de onda actúan como túneles que canalizan la luz, de forma análoga a la forma en que los cables electrónicos transmiten señales eléctricas, y constituyen la base para una serie de aplicaciones.
 
Aunque la gente ya había utilizado el láser para hacer guías de onda fotónicas, esta es la primera vez que alguien ha aplicado la técnica a Gorilla Glass, un vidrio duro con alta tensión interna y baja irregularidad, desarrollado por Corning, y que se utiliza en miles de millones de dispositivos electrónicos.
 
De acuerdo con el autor principal del artículo Jerome Lapointe, de la Politécnica de Montreal, esta nueva guía de onda fotónica es la mejor que jamás se haya hecho usando rayos láser. Aunque ninguna guía de onda es perfecta -hay fugas inevitables de luz debidas a imperfecciones- las nuevas guías de onda creadas por el equipo disminuyen 10 veces mejor las pérdidas que las hechas hasta ahora.

Y dado que Gorilla Glass tiene una mayor tensión interna y menos irregularidades que otros tipos de vidrio, las guías de onda son más suaves y previnen mejor que la luz escape. Esto también significa que los investigadores pueden utilizar pulsos de láser ultra-cortos y de baja energía a una alta frecuencia de repetición, lo que da como resultado guías de onda más suaves y eficientes.
 
Las técnicas actuales, como la fotolitografía, que utiliza productos químicos sensibles a la luz, minimizan muy bien la pérdida de luz, pero el nuevo método es más barato y más simple, afirma Lapointe.

Además, la fotolitografía restringe las guías de onda a la superficie del vidrio, mientras que el uso de rayos láser permite a los investigadores tallar guías de onda a cualquier profundidad, lo que les permite crear muchas aplicaciones, una encima de la otra, como las capas de un pastel. La superposición de las guías de onda dentro del propio cristal permite que los dispositivos sean más compactos.
 
Aplicaciones
 
Para probar su técnica, los investigadores construyeron un tipo estándar de sensor de temperatura que consiste en una guía de ondas recta y en otra curvada. Cuando el vidrio se calienta, se expande y la longitud de la trayectoria de las guías de onda cambia. Miendo cómo la luz que emerge de una guía de onda interfiere con la luz de la otra, el dispositivo puede medir la temperatura: la suya o la de aquello que esté tocando.
 
Los investigadores también desarrollaron un nuevo método para la autenticación de un teléfono inteligente basado en guías de onda con agujeros en varios lugares. La luz que se escapa a través de esos agujeros crea un patrón único.

La idea es que cada teléfono tendría su propio patrón único, como una huella digital, que podría ser leída por un detector de infrarrojos para confirmar la identidad del teléfono. Se trataría de una medida adicional de seguridad para realizar transacciones financieras utilizando smartphones. Dichas transacciones podrían ser relativamente seguras, porque en lugar de utilizar la frecuencia de radio utilizan la luz infrarroja, que no pasa a través de los materiales y por lo tanto no puede copiarse a través de un bolsillo o un bolso.
 
Tanto el sensor de temperatura como el sistema de autenticación están siendo patentados y el equipo tiene la esperanza de optimizarlos para su uso en dispositivos de consumo.
 
"Estamos buscando activamente asociarnos con la industria para explotar esta tecnología", afirma Kashyap. Con el desarrollo adecuado, añade, los dos sistemas podrían estar integrados en los teléfonos inteligentes del mercado en el plazo de un año.

Cámara de ‘vidrio inteligente’

Investigadores alemanes han jugado también con las características del vidrio para mejorar la capacidad fotográfica de las cámaras de los teléfonos inteligentes. En concreto, han utilizado un material especial que pasa de transparente a opaco con la aplicación de una corriente.

El micro-iris es un equivalente electroquímico de las voluminosas palas mecánicas que se encuentran habitualmente en las cámaras fotográficas, y tiene muy bajo consumo de energía, por lo que es un componente ideal para una amplia gama de dispositivos de consumo con cámaras integradas.

El dispositivo y los primeros resultados de su ejecución han sido presentados en un estudio publicado en el Journal of Optics, del Instituto de Física (Londres, Reino Unido).

En el ojo humano, el iris controla el diámetro de la pupila y, posteriormente, la cantidad de luz que llega a la retina. El propósito de un iris, o apertura del diafragma, de una cámara, es exactamente el mismo: controlar la cantidad de luz que llega a los sensores de la cámara, lo que afecta al enfoque global de la imagen, explica la nota de prensa del Instituto.

Tradicionalmente, las cámaras han contenido un conjunto de hojas superpuestas que se mueven mecánicamente para cambiar la cantidad de luz que entra en la cámara. Sin embargo, con la creciente popularidad de los pequeños dispositivos con cámaras integradas, ha sido casi imposible miniaturizar estos sistemas mecánicos.

Investigadores de la Universidad de Kaiserslautern (Alemania) han propuesto un método alternativo utilizando un material electrocrómico. Este material, al que se refieren a menudo como "vidrio inteligente", pasa de ser un material transparente a un material opaco cuando se le aplica una pequeña tensión eléctrica.

En su estudio, los investigadores fabricaron un micro-iris utilizando dos sustratos de vidrio en forma de sandwich, y cada uno llevaba una fina capa de material electrocrómico, llamado Pedot, en un electrodo transparente subyacente.

El micro-iris era de 55 micras de espesor y podía pasar a un estado opaco utilizando una corriente de 20 microamperios, con una tensión de 1,5 V. El sistema demostró no requerir una corriente continua para mantener el estado opaco, por lo que su consumo de energía se mantuvo muy bajo.

Además de probar la intensidad de la luz que pasa a través del micro-iris, así como la cantidad de tiempo que tardaba en cambiar entre los diferentes estados, los investigadores también examinaron la profundidad de foco que el micro-iris era capaz de conseguir en comparación con un iris tradicional a base de hojas.

El autor principal de la investigación, Tobias Deutschmann, explica que actualmente "muchos de los dispositivos propuestos requieren el movimiento de un fuerte material absorbente para bloquear el camino de la luz. Los materiales electrocrómicos, tal como se han utilizado en este estudio, permanecen estacionarios mientras cambian su nivel de absorción. Esto les permite necesitar mucho menos tamaño, y ser integrados en cámaras diminutas.

"Ahora vamos a investigar más a fondo el potencial de materiales electrocrómicos optimizados, con un un enfoque particular en la mejora del contraste óptico y, en especial, en el control de la profundidad de foco: este es el parámetro decisivo del hardware, que determinará el éxito de los modelos de próxima generación en el negocio de los teléfonos inteligentes".

Referencias bibliográficas:

Jerome Lapointe, Mathieu Gagné, Ming-Jun Li, Raman Kashyap. Making smart phones smarter with photonics. i[Optics Express] (2014). DOI: 10.1364/OE.22.015473.

T Deutschmann, E Oesterschulze. Integrated electrochromic iris device for low power and space-limited applications. Journal of Optics (2014) DOI: 10.1088/2040-8978/16/7/075301.

RedacciónT21

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