Metamateriali nuovi per una vita nuova

Metamateriali
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I metamateriali ci cambierebbero la vita ma la Ricerca qui segna il passo

Cosa sono e perché potrebbero risolvere alcuni problemi, dalle protezioni anti-sismiche delle case all’insonorizzazione degli ambienti. La differenza con le strutture molecolari naturali

By Enzo Boschi

Ancora se ne parla poco ma stanno diventando famosi.

I metamateriali porteranno gloria scientifica e danaro e chi vi si sta dedicando. Non esistono in natura ma sono fatti per soddisfare al meglio le nostre esigenze. Per esempio: le onde sismiche fanno crollare gli edifici?

Bene: costruiamo dei muri che non si accorgano neanche del passaggio delle onde. Può sembrare fantascienza, ma in realtà è verificato sperimentalmente che la cosa è fattibile.

Metamateriali

Metamateriali

Nel caso sismologico, siamo ancora lontani da applicazioni a larga scala, ma non poniamo limiti alla Provvidenza.

Cosa sono i metamateriali

Un metamateriale è un materiale le cui proprietà elastiche, acustiche, elettromagnetiche dipendono non tanto dalla sua composizione chimica, quanto dalla sua struttura interna, cioè dal modo in cui è “messo assieme” o, se vogliamo, dal modo in cui  è stato “tessuto”. Sono materiali il cui indice di rifrazione è negativo, perché è questa la proprietà più utile e affascinante di quelli realizzati e utilizzati finora.

Capaci di “deviare” onde elettromagnetiche, acustiche, meccaniche ad un angolo completamente diverso da quelli a cui siamo abituati in natura.

L’indice di rifrazione dipende dalle proprietà dei materiali attraversati dalle onde.

L’esempio tipico sono l’aria, l’acqua e la luce. Se si guarda dentro una piscina, gli oggetti sotto l’acqua appaiono deformati, perché le onde luminose che si propagano dagli oggetti ai nostri occhi sono rifratte alla superficie di separazione aria-acqua.

In natura, le onde acustiche, sismiche, elettromagnetiche si propagano sempre con indici di rifrazione positivi.

Per capire cosa significa, pensiamo a un’onda luminosa che parte dal fondo della piscina per raggiungere i nostri occhi.

La direzione dell’onda è inclinata nello stesso senso rispetto alla verticale sopra e sotto l’acqua.

Con un indice di rifrazione negativo cambia il senso dell’inclinazione. In parole povere, è come mettere uno specchio verticale alla superficie dell'”acqua a indice di rifrazione negativo”, che ci consente di vedere dietro gli angoli.

La differenza con le molecole naturali

In natura non esistono materiali a indice di rifrazione negativo. È stato però possibile realizzarli.

Abbiamo così metamateriali a indice di rifrazione negativo nei campi delle onde elettromagnetiche e meccaniche.

Sono realizzati con procedimenti complessi, costruendo strutture i cui “mattoni” hanno  dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda delle onde che devono essere  “deviate o smorzate”.

È come se i pezzi che compongono queste strutture rimpiazzassero le molecole, con la differenza che mentre le proprietà di un atomo o di una molecola sono determinate dalla natura, i metamateriali li costruiamo noi, secondo le nostre esigenze.

Torniamo all’esempio fatto sopra.

Se potessimo fabbricare meta-acqua a indice di rifrazione negativo e usarla per riempire una piscina, saremmo in grado di vedere dietro gli angoli della piscina.

Ma questo esperimento è difficilmente realizzabile, se non altro perché la lunghezza d’onda della luce, meno di un millesimo di millimetro, è molto piccola. Però il concetto funziona per onde di qualsiasi frequenza e lunghezza d’onda.

Le onde dei telefonini

Le lunghezze d’onda impiegate da radar o telefonini possono essere di qualche cm e in quel contesto è relativamente facile costruire metamateriali.

Offrono una flessibilità che si presta a numerose applicazioni tecnologiche e industriali. I campi più interessati sono quelli dell’imaging (ad esempio, la tomografia medica: raggi x, risonanza magnetica, ecografia …), della comunicazione e in generale dell’acustica.

Per quanto riguarda l’imaging (la tomografia), non è difficile intuire che una tecnologia che ci permette di “vedere dietro gli angoli” può essere utile ad illuminare zone altrimenti non ben visibili di tessuti e materiali.

Sarà possibile realizzare “superlenti” capaci di risolvere strutture di dimensioni inferiori alle lunghezze d’onda della luce usata per illuminare e vedere le strutture stesse.

Per la comunicazione, si possono costruire antenne le cui proprietà di irradiamento sono determinate semplicemente dalle proprietà microscopiche del materiale di cui sono fatte, e non dalla loro forma, spesso complicata e ingombrante.

Con i metamateriali si avranno antenne leggere, facilmente trasportabili e rapidamente riconfigurabili.

Vastissime le applicazioni nel campo dell’acustica, ancora in gran parte inesplorate

È lecito immaginarsi che questa nuova tecnologia avrà un impatto importante in tanti settori: insonorizzare edifici o parti di edifici; migliorare l’acustica di sale da concerto.

Anche costruire sottomarini invisibili al sonar come gli aerei invisibili ai radar, perché tanto le applicazioni belliche sono sempre le prime e tecnicamente le più interessanti, purtroppo.

Anche in Italia c’è qualche centro di ricerca che si occupa di metamateriali e abbiamo ricercatori italiani che se ne occupano in laboratori stranieri.

Purtroppo il nostro mondo della Ricerca non sembra particolarmente interessato o indirizzato a occuparsi di questioni applicative.

Si preferisce finanziare l’infinitamente piccolo e l’infinitamente grande: bosoni e stelle, per intendersi.

Forse per non cadere nell’imperdonabile volgarità di creare ricchezza e posti di lavoro non finanziati dallo Stato.

Nel mondo universitario c’è chi con lo stipendio garantito, lo studio, l’elettricità, il riscaldamento, il telefono pagati dallo Stato, si dà da fare per arricchire se stesso ma, ricordarlo, è considerato volgare.

https://www.agi.it/blog-italia/scienza/metamateriali_terremoto_smartpone_ricerca_scientifica-2224650/post/2017-10-06/

 

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