(PhysOrg.com) -- Le macchine su scala nanometrica dovrebbero avere un'ampia applicazione nell'industria, energia, la medicina e altri campi potrebbero un giorno operare in modo molto più efficiente grazie a importanti scoperte teoriche riguardanti la manipolazione delle famose forze di Casimir che hanno avuto luogo presso l'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

La ricerca pionieristica, condotto attraverso simulazioni matematiche, ha rivelato la possibilità di una nuova classe di materiali in grado di esercitare una forza repulsiva quando sono posti molto vicini l'uno all'altro. La forza repulsiva, che sfrutta un fenomeno quantistico noto come effetto Casimir, potrebbe un giorno consentire alle macchine su scala nanometrica di superare l'attrito meccanico.

Sebbene le forze di attrito negli ambienti su scala nanometrica siano piccole, inibiscono significativamente la funzione dei minuscoli dispositivi progettati per operare in quel regno, ha spiegato Costas Soukoulis, un fisico senior presso l'Ames Lab e illustre professore di fisica presso l'Iowa State University, che ha guidato lo sforzo di ricerca.

Soukoulis e i suoi compagni di squadra, tra cui l'assistente scienziato del laboratorio di Ames Thomas Koschny, sono stati i primi a studiare l'uso di materiali esotici noti come metamateriali chirali come un modo per sfruttare l'effetto Casimir. I loro sforzi hanno dimostrato che è davvero possibile manipolare la forza di Casimir. I risultati sono stati pubblicati il ​​4 settembre, numero 2009 di Lettere di revisione fisica , in un articolo intitolato, "Forza repulsiva di Casimir nei metamateriali chirali".

Comprendere l'importanza della loro scoperta richiede una comprensione di base sia dell'effetto Casimir che della natura unica dei metamateriali chirali.

L'effetto Casimir prende il nome dal fisico olandese Hendrik Casimir, che ne postulò l'esistenza nel 1948. Usando la teoria dei quanti, Casimir predisse che l'energia dovrebbe esistere anche nel vuoto, che possono dar luogo a forze agenti sui corpi avvicinati l'uno all'altro. Per il caso semplice di due piastre parallele, ha postulato che la densità di energia all'interno del gap dovrebbe diminuire al diminuire della dimensione del gap, significa anche che è necessario lavorare per separare i piatti. In alternativa, si può dire che esiste una forza attrattiva che spinge le piastre più vicine tra loro.

Le forze di Casimir osservate sperimentalmente in natura sono state quasi sempre attraenti e hanno reso inutilizzabili le macchine su nanoscala e microscala, facendo sì che le loro parti mobili si unissero permanentemente insieme. Questo è stato un problema di vecchia data che gli scienziati che lavorano su tali dispositivi hanno faticato a superare.

Sorprendentemente, questa nuova scoperta dimostra che un effetto Casimir repulsivo è possibile utilizzando metamateriali chirali. I materiali chirali condividono una caratteristica interessante:la loro struttura molecolare impedisce loro di sovrapporsi a una copia inversa di se stessi, allo stesso modo una mano umana non può adattarsi perfettamente a un'immagine rovesciata di se stessa. I materiali chirali sono abbastanza comuni in natura. La molecola dello zucchero (saccarosio) ne è un esempio. Però, i materiali chirali naturali non sono in grado di produrre un ripugnante effetto Casimir abbastanza forte da essere di utilità pratica.

Per tale motivo, il gruppo ha rivolto la sua attenzione ai metamateriali chirali, così chiamati perché non esistono in natura e devono invece essere realizzati in laboratorio. Il fatto che siano artificiali dà loro un vantaggio unico, commentò Koschny. "Con i materiali naturali devi prendere ciò che la natura ti dà; con i metamateriali, puoi creare un materiale per soddisfare esattamente le tue esigenze, " Egli ha detto.

I metamateriali chirali su cui si sono concentrati i ricercatori hanno una struttura geometrica unica che ha permesso loro di cambiare la natura delle onde energetiche, come quelli che si trovano nell'intercapedine tra le due piastre ravvicinate, facendo in modo che quelle onde esercitino una forza repulsiva di Casimir.

Il presente studio è stato condotto utilizzando simulazioni matematiche a causa delle difficoltà legate alla fabbricazione di questi materiali con tecniche litografiche a semiconduttore. Mentre è necessario fare più lavoro per determinare se i materiali chirali possono indurre una forza repulsiva di Casimir abbastanza forte da superare l'attrito nei dispositivi su scala nanometrica, le applicazioni pratiche dell'effetto Casimir sono già in fase di studio presso altre strutture DOE, compresi i laboratori nazionali di Los Alamos e Sandia. Entrambi hanno espresso un notevole interesse nell'utilizzo dei metamateriali chirali progettati presso il Laboratorio Ames per fabbricare nuove strutture e ridurre l'attrattiva forza di Casimir, e possibilmente per ottenere una forza ripugnante di Casimir.

Fonte:Laboratorio Ames (notizie:web)