Cos’è un metamateriale

I metamateriali sono materiali che non si trovano in natura e le cui proprietà meccaniche derivano dalla loro struttura progettata piuttosto che dalla loro composizione chimica. A partire dal 2000 i ricercatori di tutto il mondo sono attivi nello studio e creazione di materiali con proprietà elettromagnetiche che li differenziano dagli altri materiali e con caratteristiche macroscopiche che non dipendono solo dalla loro struttura molecolare, ma anche dalla loro geometria realizzativa.

I metamateriali sono quindi un’opzione interessante per lo sviluppo e la costruzione di molti nuovi dispositivi nel settore dell’ottica e dell’elettromagnetismo, con un comportamento complesso nel dominio spaziale o nella frequenza. In parole povere, gli scienziati sono oggi in grado di realizzare ad esempio dei sistemi che consentono di “curvare” la radiazione elettromagnetica rendendo di fatto gli oggetti invisibili: la scienza sembra avere trasformato la fantascienza in realtà. Vi sono però limiti posti dalla larghezza di banda operativa del metamateriale e dalle perdite, che si stanno cercando di mitigare attraverso l’incorporazione di elementi sintonizzabili nei metamateriali stessi.

Un unico materiale con più funzioni meccaniche       

Anche se i metamateriali non sono ancora ampiamente utilizzati negli oggetti di uso quotidiano, questo potrebbe presto cambiare. I recenti sviluppi nei metamateriali hanno esteso la possibilità di fabbricare metadispositivi riconfigurabili e sintonizzabili. Un ulteriore passo avanti è stato fatto recentemente da ricercatori del fleXLab – Flexible Structures Laboratory di Losanna (Svizzera) che hanno sviluppato un metamateriale le cui proprietà meccaniche possono essere riprogrammate dopo che il materiale è stato realizzato.

I ricercatori sono riusciti a cambiare la geometria interna della struttura di un materiale dopo che è stato creato, comprendendo una serie di elementi binari fisici (m-bit), analoghi ai bit digitali, con fasi di scrittura e lettura chiaramente delineate. Ogni m-bit può essere commutato in modo indipendente e reversibile tra due stati stabili. Sotto deformazione, ogni stato è associato a una risposta meccanica nettamente diversa che è completamente elastica e può essere ciclata in modo reversibile fino a quando il sistema non viene riprogrammato. La codifica di un insieme di istruzioni binarie genera quindi la possibilità di avere proprietà meccaniche notevolmente diverse: in particolare, la rigidità e la resistenza possono essere impostate e variare su un ordine di grandezza definito.

Ma quale può essere l’utilizzo pratico di un metamateriale in grado di variare la propria gamma di proprietà fisiche, come rigidità e resistenza, in modo da non dover essere sostituito al variare delle esigenze? Ad esempio, per la cura di una storta alla caviglia, inizialmente è necessario indossare una stecca rigida per tenere la caviglia in posizione. Man mano che l’infiammazione cala, si può passare a una stecca più flessibile. Oggi è quindi necessario sostituire l’intero splint, ma un unico metamateriale potrà svolgere presto tutte le funzioni progressivamente necessarie, potendo eventualmente ritornare ad uno stato più rigido in caso di aggravamento dello stato.

Quali sono gli elementi base di un meta materiale programmabile?

Il metamateriale del fleXLab – Flexible Structures Laboratory di Losanna è costituito da silicio e polvere magnetica. Ogni cella all’interno della struttura si comporta come un interruttore elettrico, ed è possibile attivare e disattivare singole celle applicando un campo magnetico. Questo modifica lo stato interno del metamateriale e, di conseguenza, le sue proprietà meccaniche, rendendo il metamateriale riprogrammabile all’infinito: le celle possono essere attivate, rendendo il materiale più rigido, oppure disattivate, rendendolo più flessibile. Possono inoltre essere programmate varie combinazioni di accensione e spegnimento per dare al materiale esattamente le proprietà meccaniche di cui si ha bisogno in un dato momento e/o in un dato punto dello stesso.

Gli orizzonti della ricerca sui metamateriali programmabili

I metamateriali programmabili sono simili a macchine, come i robot, che impiegano meccanismi elettronici complessi e ad alta intensità energetica. Esiste un grande potenziale per ulteriori ricerche utilizzando la tecnologia del fleXLab – Flexible Structures Laboratory di Losanna. Attualmente, si sta studiando un metodo per creare strutture 3D, e per ridurre la scala per creare metamateriali ancora più piccoli.

Una delle applicazioni allo studio è quella degli interruttori in radiofrequenza, dove il metamateriale riconfigurabile è in grado di cambiare istantaneamente gli stati da una connessione a 0 Ohm a un circuito aperto, e viceversa.

Un altro degli obiettivi riguarda la progettazione di antenne riconfigurabili in frequenza, dove la caratteristica di tali dispositivi è la selettività della banda di frequenza sintonizzabile, cosa possibile con meta materiali programmabili.

La sintonizzazione di frequenza è particolarmente utile nella fabbricazione di dispositivi di misurazione delle bande terahertz e ottiche. Tali dispositivi potrebbero comprendere meta materiali sensibili per la misurazione e rilevamento di agenti chimici o biologici, sensori di temperatura e rivelatori intelligenti.

Anche i saturimetri (le pinzette da apporre sul dito per misurare la saturazione di ossigeno nel sangue) possono sfruttare meta materiali per la loro costruzione. Il principio di funzionamento su cui si basa il saturimetro è infatti quello della spettrofotometria: la sonda presenta due diodi fotoemittenti su un braccio della pinza ed un rilevatore sul braccio opposto. I due diodi emettono fasci di luce a precise lunghezze d’onda che ricadono nell’intervallo della luce rossa e infrarossa (rispettivamente, 660 nm e 940 nm). I fasci luminosi emessi dalle due sorgenti attraverseranno i tessuti fino a giungere al rilevatore posizionato sull’altro braccio della stessa sonda, all’estremità opposta del dito. Questo rilevatore potrebbe essere un metamateriale configurato per leggere e trasmettere le informazioni rilevate.

I metamateriali hanno tutti un indice di rifrazione negativo, il che porta a nuove e interessanti considerazioni di tipo fisico, ma anche a innovative applicazioni tecnologiche poiché consentono di studiare una serie di fenomeni non riscontrabili nei materiali “convenzionali”, come ad esempio l’effetto Doppler. L’effetto Doppler è un fenomeno molto comune nella vita quotidiana soprattutto nel caso delle onde sonore; si tratta di quell’effetto che fa percepire ad un “osservatore” il suono di una sirena a frequenza differente a seconda se la sorgente (ad esempio una volante dei Carabinieri) si trova in movimento o se è ferma. Sarebbe quindi possibile determinare posizione e velocità di un oggetto che emette suoni a frequenza differente (non solo quindi le sirene bitonali) attraverso meta materiali programmabili opportunamente “sintonizzati”.

E.P.