Si en la actualidad un disco compacto (CD) puede almacenar alrededor de 240 millones de bytes, el equivalente a 300 mil páginas de texto escrito en doble espacio, por ejemplo, la proyección para los próximos años es aumentar esa capacidad hasta 10 mil millones de bytes, 41 veces más que la actual, y el equivalente a 12,3 millones de páginas. Al margen de dominar el mercado de grabación de música, el CD es también el medio patrón para aparatos multimedia, que combinan texto, imágenes y sonido. Eso sin contar con su evolución, el disco digital versátil o disco de video digital (DVD).
Así, el aumentar la cantidad de memoria sin ampliar el tamaño del disco son dos líneas estratégicas de investigación en el área de sistemas ópticos y electrónicos de almacenamiento digital de información. En tal sentido, el grupo de Materiales Fotónicos del Departamento de Química General e Inorgánica del Instituto de Química de la Universidad Estadual Paulista (Unesp) de Araraquara, ha producido nuevos materiales y ha hecho importantes descubrimientos sobre los mecanismos de grabación y desgrabación de DVDs.
Bajo la coordinación de los profesores Younes Messaddeq y Sidney José Lima Ribeiro, el grupo estudia fenómenos fotoinducidos mediante láseres en calcogenuros, vidrios especiales que poseen excelentes propiedades – a nivel nanométrico – para el registro de informaciones digitales e imágenes holográficas. Trabajando con ese material, los investigadores también han descubierto otros mecanismos que explican los cambios estructurales verificados en los calcogenuros, cuando se los expone a la irradiación de la luz, especialmente en composiciones a base de galio, germanio, azufre, sulfuro de arsénico y antimonio.
Uno de los fenómenos observados es el de la fotoexpansión, que provoca el aumento del volumen del material sin ninguna alteración térmica, solamente con la luz del láser. Esta técnica permite también la aplicación de los mencionados vidrios especiales en la fabricación de microlentes del espesor de un pelo para las áreas de seguridad, en microcámaras; en medicina, en cirugías invasivas; y en el área militar, en sistemas de misiles teledirigidos.
La importancia de los experimentos realizados en Araraquara se encuentran en unproyecto piloto presentado el año pasado por investigadores de Matsushita Electrical Industrial, desarrollado en Japón, que demostró el uso del DVD en cámaras digitales para grabación, de manera análoga a un videocassette. La materia prima utilizada en este DVD fue elaborada a base de calcogenuros hechos a base de germanio, telurio, antimonio y azufre. Actualmente existe una carrera tecnológica mundial para desarrollar estos materiales.
Al margen de la caracterización de los láseres, que efectúan la lectura de las señales eléctricas contenidas en los pequeños discos, los científicos investigan también nuevos métodos y materiales, para hacer que los productos sean más eficientes y baratos. De este modo, filmes finos, preparados a base de vidrios especiales, son prometedores para sustituir con ventajas a los polímeros utilizados actualmente en la fabricación de CDs y DVDs.
Grabar y regrabar
Los calcogenuros le confieren al producto tres cualidades claves para el desarrollo de la tecnología de producción del DVD: estabilidad, reversibilidad (la capacidad de grabación y regrabación en un mismo disco) y sensibilidad para el almacenamiento de datos. Actualmente el principio de cambio de fase reversible (que permite grabar, borrar y regrabar) es atribuido a la inducción fototérmica, con base en las variaciones de temperatura los de láseres, que hacen oscilar el estado de esos vidrios especiales de cristalino a amorfo (no cristalizado) y viceversa.
En su fase amorfa, el material graba los datos; en la cristalina, los reproduce. Los investigadores de la Unesp creen que el mejor aprovechamiento de los calcogenuros surgirá con el uso del fenómeno de la fotoexpansión. Valiéndose de un láser de una potencia y un tiempo de exposición adecuados, verificaron que la muestra vítrea irradiada con luz ultravioleta generó una expansión en la superficie del material del orden del 25%.
Este índice, que aumenta el espectro de actuación, haciendo que el radio de la lente se vuelva mayor, permite almacenar más información, de manera superior a la observada en otros tipos de vidrios calcogenuros, recibiendo otras intensidades de luz, que mostraron variaciones de expansión máxima del 0,7%. Estos resultados fueron presentados en el Primer Taller Internacional de Calcogenuros Amorfos y Nanoestructurados, realizado en Bucarest, Rumania, en 2001, y fueron acreedores del premio de segundo mejor trabajo en el área. “Ese premio, y el reconocimiento internacional, nos dieron motivación para profundizar más estos estudios, con el objetivo de hallar otras propiedades de estos materiales y desarrollar filmes finos, para su aplicación en el avance de la tecnología de DVD”, dice Messaddeq.
La investigación galardonada fue iniciada por la doctoranda Sandra Helena Peratello, juntamente con el Laboratorio de Propiedades Ópticas y Eléctricas de los Sólidos del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo en São Carlos, y coordinada por el profesor Maximo Siu Li. “El objetivo era producir vidrios calcogenuros poco estudiados, a base de galio, germanio y azufre. Verificamos una expansión extraordinaria en la superficie irradiada de esos materiales. Este descubrimiento sorprendió a la comunidad internacional del área”, explica Messaddeq.
Desde el punto de vista científico, las explicaciones sobre el mecanismo que rige esos cambios químicos y físicos en los calcogenuros, presentadas por varios autores, no eran suficientes como para entender el origen de los fenómenos de fotoexpansión. Con base en análisis estructurales más profundos, realizados en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) de Campinas, el grupo de Araraquara observó que durante la exposición del vidrio existe una reacción con el oxígeno, demostrando así la interferencia del aire en esos fenómenos. “Nuestros análisis mostraron que la fotoexpansión desaparece cuando la muestra es irradiada en el vacío.
Por el contrario, en una atmósfera rica en oxígeno, el fenómeno de la fotoexpansión es mucho mayor. Mostramos que el aire es un factor importante, principalmente si pretendemos fabricar materiales reproducibles”, comenta el profesor. Una vez más, los resultados presentados en el congreso internacional de vidrios no óxidos (vidrios óxidos son los que se utilizan para construir ventanas y en los espejos comunes), en septiembre de 2002, también sorprendieron a la comunidad internacional.
La experiencia rusa
Los calcogenuros desarrollados por el grupo, compuestos a base de galio, germanio y azufre, exhiben una alta eficiencia de difracción, pues poseen un gran número de ranuras por milímetro, una ventaja para la tecnología de DVD, ya que suministra más canales para almacenar datos. Así y todo, la fotoexpansión presenta desventajas con relación a la estabilidad del material. “En este sentido, el grupo se esfuerza en la búsqueda de materiales alternativos, basados en la misma matriz, para alcanzar las respuestas deseadas”, dice Messaddeq. Y se están haciendo estudios en materiales aún poco explotados, como vidrios a base de antimonio y óxido de tungsteno.
El grupo de la Unesp trabaja con vidrios calcogenuros de alta pureza desde 1999. En los últimos años, la mayoría de las investigaciones llevadas a cabo en Brasil con este material se focalizó en los vidrios a base de sulfuro de arsénico, debido a su facilidad de preparación y purificación. “Toda la tecnología fue desarrollada para purificar el vidrio, omitiendo materiales alternativos, como el germanio y el galio”, explica el investigador. Para obtener la tecnología de preparación de los calcogenuros, Messaddeq solicitó la cooperación y visitó un laboratorio en la República Checa. Desde octubre del año pasado, otros compuestos de calcogenuros se encuentran en fase de desarrollo debido a la estada en el IQ/Unesp del investigador ruso Igor Scripachev, jefe del Departamento de Purificación de Materiales del Instituto de Química de Sustancias de Alta Pureza de la Academia de Ciencias Rusa, en calidad de profesor visitante. “Ese grupo ruso es líder mundial en el área. La misma tecnologíafue implementada en Estados Unidos y en China a un costo altísimo. Logramos la cooperación del profesor Igor mediante una beca de la FAPESP”, dice Messaddeq.
Debido a la repercusión internacional del trabajo del grupo, Messaddeq fue invitado para integrar la red Amorphus Chalcogenides and Nanostruture, o Calcogenuros Amorfos y Nanoestructurados, un grupo de investigadores que trabaja en el área con el incentivo de la Comunidad Europea. Messaddeq también fue invitado a colaborar con investigadores de la Universidad de Cincinnati, Estados Unidos y de la Universidad de Montpellier II, Francia, al margen de haber recbido convites de grupos de Hungría y Japón.
EL PROYECTO
Estudio y Aplicaciones para Vidrios Fotosensibles
MODALIDAD
Línea regular de auxilio a la investigación
COORDINADOR
Younes Messaddeq – IQ/ Unesp
INVERSIÓN
R$ 87.221,00 y US$ 117.282,00
