Se i mantelli dell'invisibilità e altre app geniali dovessero mai passare dalla fantascienza alla realtà scientifica, avremo bisogno di saperne di più su come funzionano effettivamente questi strani metamateriali. La ricercatrice del Michigan Tech Elena Semouchkina è tornata alle origini e ha fatto più luce sulla fisica dietro la magia.

I metamateriali offrono la possibilità molto reale che le nostre fantasie più inverosimili possano un giorno diventare reali come rocce. Da mantelli dell'invisibilità e lenti perfette a batterie immensamente potenti, le loro applicazioni di superpoteri stuzzicano l'immaginazione. Detto ciò, finora "stuzzicare" è stata la parola chiave, anche se gli scienziati studiano i metamateriali da più di 15 anni.

"Non sono stati sviluppati molti dispositivi metamateriali reali, "dice Elena Semouchkina, professore associato di ingegneria elettrica presso la Michigan Technological University. I soldati non possono gettare mantelli dell'invisibilità sulle spalle per sfuggire al fuoco dei cecchini, e nessuna app per obiettivi perfetti ti consente di vedere i virus con il tuo smartphone. In parte, questo perché tradizionalmente, i ricercatori semplificano eccessivamente il funzionamento effettivo dei metamateriali. Semouchkina dice che le loro complicazioni sono state spesso ignorate.

Quindi lei e il suo team hanno iniziato a indagare su queste complicazioni e hanno scoperto che la magia dei metamateriali è guidata da più di un meccanismo della fisica. Un articolo che descrive la loro ricerca è stato recentemente pubblicato online dal Journal of Physics D:Fisica Applicata .

Semplice!

I metamateriali possono sembrare complessi e futuristici, ma il contrario è più vicino alla verità, dice Semouchkina. I metamateriali ("meta" è la parola greca per "oltre") sono materiali ingegnerizzati che hanno proprietà non presenti in natura. Sono tipicamente costruiti con più elementi identici realizzati con materiali convenzionali, come metalli o materiali non conduttivi. Pensa a un cubo di Rubik composto da milioni di unità più piccole dello spessore di un capello umano.

Questi materiali di design funzionano piegando i percorsi delle radiazioni elettromagnetiche, dalle onde radio alla luce visibile ai raggi gamma ad alta energia, in modi nuovi e diversi. Il modo in cui i metamateriali piegano questi percorsi, un processo chiamato rifrazione, guida le loro applicazioni peculiari. Per esempio, un mantello metamateriale dell'invisibilità piegherebbe i percorsi delle onde luminose attorno a un oggetto ammantato, accelerandoli nel loro cammino, e riuniscili dall'altra parte. Così, uno spettatore poteva vedere cosa c'era dietro l'oggetto, mentre l'oggetto stesso sarebbe invisibile.

L'approccio convenzionale tra i ricercatori sui metamateriali è stato quello di mettere in relazione le proprietà di rifrazione di un metamateriale con la risonanza. Ogni minuscolo elemento costitutivo del metamateriale vibra come un diapason al passaggio della radiazione elettromagnetica, provocando il tipo di rifrazione desiderato.

Ma non così semplice. . .

Semouchkina si chiedeva se potessero esserci ulteriori fattori coinvolti nel piegare i percorsi delle onde.

"I metamateriali sembrano semplici, ma la loro fisica è più complicata, " lei dice, spiegando che lei e il suo team si sono concentrati sui metamateriali dielettrici, che sono costituiti da elementi che non conducono elettricità.

Il team ha eseguito numerose simulazioni al computer e ha fatto una scoperta sorprendente:erano la forma e l'organizzazione ripetitiva dei mattoni all'interno del metamateriale, la loro periodicità, a influenzare la rifrazione. La risonanza sembrava avere poco o nulla a che fare con questo.

I metamateriali studiati avevano caratteristiche di un altro tipo di materiale artificiale, cristalli fotonici. Come metamateriali, i cristalli fotonici sono costituiti da molte cellule identiche. Inoltre, si comportano come i semiconduttori usati in elettronica, tranne che trasmettono fotoni invece di elettroni.

"Abbiamo scoperto che le proprietà che accompagnano l'essere un cristallo fotonico possono mascherare la risonanza dei metamateriali, al punto che possono causare una rifrazione insolita, inclusa la rifrazione negativa, che è necessario per lo sviluppo di un obiettivo perfetto, " dice Semouchkina.

Ritorno alle basi

Quindi cosa significa questo per gli scienziati e gli ingegneri che progettano i super materiali di domani?

"Fondamentalmente, dobbiamo riconoscere che alcune di queste strutture possono esibire proprietà dei cristalli fotonici, e dobbiamo tener conto della loro fisica, " Dice Semouchkina. "È un campo in evoluzione, ed è molto più complicato di quanto gli abbiamo dato credito."

Il team di Semouchkina sta lavorando allo sviluppo di mantelli dell'invisibilità usando cristalli fotonici, ma sottolinea che la ricerca sui metamateriali può avere altre applicazioni nel mondo reale. Uno dei suoi progetti si concentra sull'utilizzo di concetti metamateriali per migliorare la sensibilità della risonanza magnetica (MRI), che potrebbe portare a una migliore diagnostica medica e a progressi nella ricerca biologica.

"Questo è un risultato molto pratico, rispetto alla roba di Harry Potter, " lei dice.

Comprendere la fisica alla base dei metamateriali accelererà lo sviluppo di tali dispositivi.