Tecnologia invisibile, l'idea di ridurre la capacità del nemico di rilevare un oggetto, ha guidato i progressi della ricerca militare per decenni. Oggi, aereo, navi da guerra e sottomarini, missili e satelliti sono spesso ricoperti di materiale radar-assorbente, come vernice, per nasconderli o occultarli dai radar, sonar, infrarossi e altri metodi di rilevamento. Un mantello è un materiale di rivestimento che rende un oggetto indistinguibile dall'ambiente circostante o non rilevabile mediante misurazioni sul campo esterno.

Guoliang Huang, il James C. Dowell Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, ha detto che questi tipi di materiali di occultamento sono maturi, in senso tecnico, perché le proprietà dell'acustica (radar, sonar) e le onde ottiche (infrarossi) sono ben comprese. Però, Huang ha detto che poco o nessun lavoro è riuscito a risolvere il problema dell'occultamento delle onde elastiche nei mezzi solidi, come un'onda sismica che si propaga attraverso il suolo. Recentemente, Huang, insieme al suo ex postdoc e studenti Assistant Professor Hussein Nassar e Research Assistant Professor Yangyang Chen, ha progettato e realizzato un nuovo metamateriale, un materiale strutturato artificialmente, che realizza un mantello elastico "perfetto".

"Questo materiale è sia teorico che sperimentale:l'abbiamo creato nel nostro laboratorio, " Ha detto Huang. "Lo chiamiamo 'materiale polare' perché abbiamo realizzato che ha una coppia interna. Siamo i primi a proporre i principi di questo materiale e anche i primi a progettare e fabbricare questo materiale. Il concetto è, se hai un oggetto che vuoi rendere invisibile, si progetta una sorta di materiale di rivestimento attorno all'oggetto in modo che quando un'onda colpisce l'oggetto, se passa intorno al materiale senza rifrazione."

Per esempio, un radar genera un'onda radar, un'onda acustica, che si rifrange quando colpisce un sottomarino, rendendolo visibile. Ma se quel sottomarino si sta ricoprendo di un materiale di occultamento, l'onda radar non si rifrange e il sottomarino non può essere rilevato.

"Se vuoi nascondere qualcosa in un supporto solido, questo è diverso, " Huang ha detto. "In solidi media, l'onda è più complicata dell'onda radar perché nei mezzi solidi non solo abbiamo un'onda di compressione ma abbiamo anche un'onda di taglio. Nell'ingegneria civile, ci occupiamo di terremoti, onde sismiche, che hanno onde longitudinali e di taglio, e la maggior parte del danno è causato dall'onda di taglio."

Svolta fondamentale

Huang ha detto che non esiste materiale naturale che soddisfi il problema di lunga data dell'invarianza della trasformazione, in cui sono necessarie proprietà non standard dopo determinate trasformazioni. Ha detto che lo scopo ultimo della sua ricerca è quello di modellare, progettare e fabbricare materiali che colmeranno questo "divario comportamentale". La nuova classe di materiali polari o di occultamento che il suo team ha creato è composta da un reticolo funzionalmente graduato incorporato in uno sfondo continuo isotropico. Gli strati sono stati stampati in 3D e assemblati manualmente.

"Abbiamo studiato sperimentalmente e numericamente le caratteristiche del mantello proposto e abbiamo riscontrato ottime prestazioni di occultamento sia sotto carico di trazione che di taglio, " Huang ha scritto nel suo giornale, uno dei due articoli di ricerca che Huang e il suo team avevano pubblicato dalla Physical Review of Letters sull'argomento dei materiali polari.

Oltre a proteggere le strutture dalle onde sismiche, Huang ha affermato che un'altra potenziale applicazione del nuovo metamateriale sarebbe la soppressione delle vibrazioni sui motori per ridurre il rumore.

"Nessuno è stato in grado di progettare un perfetto materiale di copertura in mezzi elastici per 20 anni, fino a quando non abbiamo prodotto questo nuovo materiale, " Huang ha detto. "Per noi, è una svolta fondamentale. Abbiamo utilizzato la stampa 3D per realizzare questo materiale per semplici dimostrazioni di laboratorio, ma questo principio potrebbe essere utilizzato con qualsiasi materiale. Il metamateriale è un materiale strutturato:le proprietà sono realizzate attraverso la struttura."

"I risultati che il team dell'Università del Missouri ha recentemente pubblicato sono incoraggianti, " ha detto il dottor Dan Cole, responsabile del programma, Ufficio di ricerca dell'esercito, un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti. "Questa ricerca potrebbe portare a nuove strategie per allontanare le onde meccaniche dalle regioni critiche negli oggetti solidi, che potrebbe consentire nuove capacità nella protezione e nelle manovre dei soldati".

Gli studi, "Metamateriali polari:una nuova prospettiva sulla risonanza per applicazioni di occultamento" e "Realizzazione fisica di occultamento elastico con un materiale polare, " sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica , una rivista dell'American Physical Society.