Metamateriali e il mantello dell’invisibilità

Dagli eroi dei fumetti a quelli del cinema l'invisibilità ha da sempre acceso la fantasia umana. Cosa fareste se foste invisibili? Spesso questa domanda ipotetica è stata posta alla gente  per scoprire a quali curiosità, le persone, avrebbero voluto togliere il velo del mistero o della segretezza.  Sembra che da qualche anno a questa parte, questa domanda non sia più cosi ipotetica. Infatti grazie all'utilizzo dei metamateriali l'invisibilità potrebbe non essere più materia per la fantascienza. In questo articolo vedremo un pò di storia dei metamateriali, dalla loro concezione puramente teorica alla realizzazione vera e propria. Descriveremo quindi le proprietà elettromagnetiche che li rendono cosi interessanti ed i meccanismi fisici alla base del fenomeno che viene definito "occultamento elettromagnetico". Infine con le immancabili conclusioni andremo a riassumere quanto è stato fatto,  e quanto ancora manca per lo sviluppo del mitico "mantello dell'invisibilità" .

Storia ed evoluzione dei metamateriali

Per prima cosa rispondiamo alla domanda che tutti si pongono appena sentono il nome metamateriali: che cosa sono? I metamateriali sono materiali sintetizzati artificialmente in laboratorio, quindi essi non esistono in natura. La principale caratteristica che li rende cosi speciali, è quella di presentare proprietà elettriche e magnetiche non riscontrabili in nessun altro materiale naturale.

I primi studi teorici sui metamateriali risalgono alla fine degli anni '60 circa quando Vaselago, ipotizzando l'esistenza di  materiali con permeabilità elettrica ε e magnetica μ entrambe negative e senza perdite, riscontrò effetti anomali nella propagazione di un onda elettromagnetica piana monocromatica all'interno di tali materiali. In particolare Vaselago evidenziò l'inversione della legge di Snell sulla riflessione, e l'inversione degli effetti Doppler e Cerenkov. Data l'impossibilità di riprodurre tali materiali in laboratorio, a causa dei limiti tecnologici dell'epoca, queste ricerche restarono un lavoro puramente teorico fino agli anni '90.

In quel periodo infatti Shelby, Smith e Schultz dell'Università della California riuscirono a sviluppare dei materiali con le proprietà elettriche e magnetiche ipotizzate da Vaselago, e nel 2001 verificarono sperimentalmente le previsioni del fisico russo. Da allora molti gruppi di ricerca si sono concentrati su questi innovativi materiali cercando di migliorarli per futuribili applicazioni. Per poter meglio comprendere le potenzialità di questa tecnologia occorre richiamare alcune nozioni di fisica ed elettromagnetismo.            

Aspetti fisici

Tutti i materiali dielettrici presentano delle caratteristiche che ne descrivono il comportamento quando vengono sottoposti ad un campo elettromagnetico. In particolare la permettività elettrica ε quantifica la capacità del materiale di contrastare un campo elettrico E e di opporsi quindi alla polarizzazione, in modo opposto la permeabilità magnetica μ ne quantifica la capacità di magnetizzarsi in presenza di un campo magnetico H. Queste due grandezze fisiche rappresentano il legame tra i campi incidenti, E ed H, su un materiale e quelli che potremmo definire, con un abuso, campi "risultanti" denominati spostamento elettrico D e induzione magnetica B. Nel caso più semplice in cui il materiale risulti lineare omogeneo ed isotropo si avranno le seguenti relazioni:

  • D = εE
  • B = μH

Il fatto che il materiale sia omogeneo sta ad indicare che i parametri non variano a seconda della posizione all'interno del materiale, in sostanza il materiale è identico ovunque incida l'onda elettromagnetica. Ma il concetto di omogeneità è relativo. Infatti esso dipende dalla frequenza dell'onda incidente. Se questa frequenza è tale che la lunghezza d'onda risulti paragonabile alle distanze atomiche allora il materiale non è più omogeneo. 

Quest'ultimo concetto evidenziato è alla base dei metamateriali: se su un substrato omogeneo vengono inserite periodicamente delle inclusioni metalliche di dimensioni molto piccole (dell'ordine dei μm o nm),  allora a seconda della frequenza dell'onda incidente (nell'ordine delle microonde, f>300MHz) e delle distanze tra le inclusioni, il materiale risulterà omogeneo o meno, esibendo cosi comportamenti elettromagnetici totalmente differenti.

In particolare per quanto riguarda la permettività elettrica, al di sotto di una particolare frequenza denominata "frequenza di plasma", il materiale presenterà valori negativi di tale parametro, mentre per frequenze maggiori risulterà positivo. La figura sottostante mostra una rappresentazione schematica di un metamateriale con permettività elettrica negativa (ENG); su un substrato omogeneo (in grigio) vengono posizionate, in maniera periodica, delle striscie metalliche (in rosso). Dimensionando opportunamente la larghezza delle striscie e la distanza fra loro si può ottenere il comportamento elettromagnetico desiderato per un dato intervallo di frequenze. Una delle applicazioni più immediate è quella legata alle schermature di particolari range di frequenze, ovvero si lasciano passare onde elettromagnetiche al di sotto della frequenza di plasma e si bloccano tutte le altre.

ENGUtilizzando come cella elementare uno Split Ring Resonator  (SRR) e ripetendolo periodicamente su un substrato dielettrico omogeneo è invece possibile sintetizzare metamateriali con  permeabilità magnentica negativa (MNG). Questi materiali presentano un intervallo ristretto di frequenze in cui la μ risulta negativa e per questo [...]

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3 Commenti

  1. Mirko Trinca Colonel 24 Luglio 2015

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