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Metamateriali

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All’inizio del terzo millennio sono stati sviluppati studi su materiali che esibiscono particolari proprietà non riscontrabili in materiali presenti in natura.

I metamateriali sono materiali artificiali che derivano le loro proprietà insolite dalla loro struttura periodica. Alcuni metamateriali possono deformare la loro struttura interna passando ad un’altra con proprietà diverse. Tuttavia, il controllo preciso di queste deformazioni rimane una sfida, poiché queste strutture presentano spesso un comportamento meccanico non lineare.

Nonostante ciò i metamateriali costituiscono una nuova frontiera nella scienza dei materiali. A differenza dei materiali naturali classici, le proprietà ottiche dei metamateriali possono essere facilmente adattate, se vengono opportunamente organizzate la geometria, la forma o la dimensione dei loro costituenti fondamentali. I metamateriali, di solito, sono fatti di unità fondamentali metallo/dielettriche profondamente subwavelength, disposte in modo periodico, che mostrano simmetria mono-, bi- o tri-dimensionale, possibilmente incorporando materiali riconfigurabili, al fine di fornire loro proprietà reattive intelligenti.

Le proprietà dei metamateriali furono previste a livello teorico dal fisico sovietico Victor Georgievich Veselago negli anni ’60 dello scorso secolo che ipotizzò la possibilità di materiali con indice di rifrazione negativo.

Proprietà elettromagnetiche

Le proprietà elettromagnetiche dei materiali sono caratterizzate da due quantità fondamentali descritte dalle equazioni di Maxwell ovvero la permettività elettrica ε e la permeabilità magnetica μ.

Tali grandezze sono quantità specifiche dei materiali e, in particolare, la permettività elettrica misura la predisposizione del materiale a polarizzarsi quando viene applicato un campo elettrico ed è in generale funzione della frequenza del campo mentre la permeabilità magnetica esprime l’attitudine del materiale a lasciarsi magnetizzare.

Dal punto di vista macroscopico è possibile suddividere tutti i materiali esistenti in natura sulla base dei valori che assumono ε e µ:

  • Materiali dielettrici: ε > 0; μ > 0
  • Metallisemiconduttori drogati: ε < 0: μ > 0
  • Materiali a base di ferrite: ε > 0: μ < 0
  • Nessun materiale in natura: ε < 0: μ < 0

Spesso piuttosto che permettività elettrica e permeabilità magnetica viene usato l’indice di rifrazione N che viene calcolato secondo la formula N = ±√ ε μ.

È allora necessario distinguere due casi, il primo dove ε>0 e µ>0; e il secondo quando ε<0 e µ<0. Quali sono allora le differenze tra i due casi? Perché scegliamo l’indice di rifrazione negativo? In risposta a queste domande si considerino due differenti materiali messi a contatto l’uno con l’altro e si supponga che della radiazione incida sul primo mezzo.

Si supponga inoltre che il mezzo 1 abbia indice di rifrazione positivo dato da ε e µ positivi, se anche il secondo mezzo avesse entrambi i valori positivi si avrebbe una rifrazione “ordinaria” secondo le leggi dell’ottica geometrica.

Nel caso in cui ε<0 e µ<0 allora la radiazione incidente, seguirà un percorso differente nel passaggio dal mezzo 1 al mezzo 2 con funzione dielettrica e permeabilità magnetica entrambe negative.

Quello che succede è rappresentato in figura, il fascio incidente, viene in parte riflesso e in parte trasmesso, ma ad un angolo opposto rispetto a quello che si avrebbe in un mezzo tradizionale.

metamateriali

Si è preferito, qui, fare una trattazione qualitativa del fenomeno in quanto la trattazione matematica sarebbe alquanto laboriosa ed esula dallo scopo di tale progetto.

Quindi i metamateriali sono materiali strutturati usati per controllare e manipolare la luce, il suono e molti altri fenomeni fisici. Le proprietà dei metamateriali derivano sia dalle proprietà intrinseche dei loro materiali costituenti, sia dalla disposizione geometrica di tali materiali. Sebbene ci siano molte strutture che si qualificano come metamateriali, la più comune è quella di una disposizione di elementi la cui dimensione e spaziatura è molto più piccola rispetto alla lunghezza d’onda sonora o luminosa con cui interagisce. Le dimensioni sono importanti, infatti il comportamento da metamateriale, è possibile averlo solo in una regione selezionata dello spettro elettromagnetico, tale regione viene determinata proprio in funzione delle dimensioni delle strutture; ad esempio per avere un mezzo che si comporti da metamateriale nella regione dell’infrarosso è necessario ingegnerizzare strutture con dimensioni dell’ordine del millimetro. Più complicato è il discorso nella regione del visibile, in questo caso infatti è necessario scendere al livello del singolo nanometro.

lunghezza d'ondastrutture

Le proprietà ottiche, termiche, elettriche e meccaniche di tali materiali, unitamente al vasto campo di applicazioni, costituisce uno stimolo alla ricerca.

Carbonio vetroso e sue caratteristiche

Un esempio di metamateriale è il carbonio vetroso che ha un diametro di circa 200 nm, una struttura a nido d’ape e uno spessore di 140 nm. La struttura del carbonio vitreo è stata a lungo materia di dibattito. I primi modelli assumevano che gli atomi coinvolti esibissero sia legami con strutture elettroniche sp2 che sp3, mentre attualmente è stato appurato che il carbonio vitreo è completamente in configurazione sp2. Ricerche più recenti hanno suggerito che tale materiale abbia una struttura relazionata con i fullereni Dal punto di vista strutturale il carbonio vitreo presenta una forma a nastri intrecciati come mostrato in figura

carbonio vitreo

Il carbonio vitreo non va confuso con il carbonio amorfo, come dichiara la IUPAC: il carbonio con caratteristiche vitree non può essere descritto come carbonio amorfo in quanto costituito da elementi a struttura bidimensionale e non esibisce legami di valenza non saturati.

Il materiale è stato ottenuto mediante un processo di pirolisi partendo da un polimero con conseguente diminuzione di volume e perdita di massa. Il processo di pirolisi consiste nella decomposizione termochimica di una sostanza organica che avviene ad elevate temperature e in assenza di agenti ossidanti (normalmente ossigeno). Lo svolgimento del processo in condizioni anossiche è dovuto al fatto che, in caso di presenza di un ossidante, si avrebbe una combustione mentre l’obiettivo ricercato è quello di scindere i legami chimici. La decomposizione del materiale di partenza, infatti, prevede una omolisi termicamente indotta.

La scissione omolitica di legami covalenti richiede un’energia che è pari all’energia di ciascun legame: quanto maggiore è l’energia di legame tanto maggiore è l’energia richiesta per romperlo. I valori dell’energia di legame vanno da circa 140 a oltre 1000 kJ/mol ed è pertanto necessaria una elevata energia affinché si verifichi la rottura di tutti i legami presenti nel polimero di partenza.

Il carbonio vetroso presenta una resistenza ad alte temperature, fino a 3000 °C, una estrema resistenza alla corrosione e impermeabilità a gas e liquidi, elevata durezza (valore 7 nella scala di Mohs) e rigidità, bassa densità, bassa espansione termica, elevata resistenza allo shock termico, buona conduttività elettrica, isotropia delle caratteristiche fisiche e chimiche e biocompatibilità. Grazie a queste sue caratteristiche è ad esempio utilizzato nella creazione di crogioli e in campo medico per la costruzione di protesi.

Proprietà dei metamateriali (comportamento meccanico)

Considerando che le proprietà dei metamateriali dipendono dalla disposizione spaziale delle celle unitarie costituenti la loro struttura, esse si possono programmare in maniera del tutto arbitraria e finalizzarle alle proprietà desiderate.

Semplicemente variando l’architettura tra una struttura di tipo “cubico semplice” (SC) e una configurazione “tetragonale a facce centrate” (FCT), è possibile ottenere diverse proprietà meccaniche su larga scala.

struttura

 

Pertanto applicando uno sforzo di taglio alle sezioni trasversali di ciascun tipo di cella, si verifica un diverso comportamento tra i due tipi di strutture come si evince dalla figura seguente

sforzo di taglio

Inoltre se vengono affiancate due celle il comportamento della prima influenzerà il comportamento della seconda. Dal punto di vista macroscopico si può osservare, ad esempio, che applicando una compressione su una struttura cubica opportunamente programmata, essa cambia forma, mantenendo invariata la sua regolarità ed omogeneità.

struttura seconda strutturaterza struttura

Un’ulteriore peculiarità di alcuni metamateriali è quella di presentare un rapporto di Poisson negativo.

Essi sono noti anche come materiali ausiliari, i quali hanno attirato l’attenzione degli studiosi a causa del loro comportamento unico: quando vengono compressi lungo un determinato asse, si osserva più comunemente che si espandono in direzioni ortogonali al carico applicato mentre quando vengono stirati si contraggono lungo gli stessi assi.

La proprietà che caratterizza questo comportamento è il rapporto di Poisson che è definito come il rapporto tra le deformazioni trasversali e longitudinali.

rapporto di Poisson

La maggior parte dei materiali è caratterizzata da un rapporto positivo di Poisson che è circa 0,5 per la gomma e 0,3 per il vetro e l’acciaio. I materiali con un rapporto di Poisson negativo si contrarranno nella direzione trasversale quando vengono compressi e si espanderanno nella direzione trasversale quando vengono allungati.

Questo comportamento insolito si traduce in una caratteristica unica per la quale il materiale può concentrarsi sotto il carico di compressione per resistere meglio allo stesso. Inoltre, tali materiali diventano anche più rigidi e più forti quando aumenta l’ampiezza del carico. Studi ed esperimenti hanno dimostrato che i materiali “ausiliari” o auxetici possono migliorare le proprietà meccaniche, tra cui la resistenza al taglio, la durezza e la resistenza alla frattura, rispetto ai materiali convenzionali da cui sono realizzati. Questi materiali ausiliari offrono anche un ottimo assorbimento del suono e delle vibrazioni e potrebbero avere molte potenziali applicazioni.
Una sfida significativa nella fabbricazione dei metamateriali con proprietà auxetiche comporta l’incorporamento di strutture con geometrie complesse all’interno di una matrice ospite.

Metamateriali e loro applicazioni

I campi di applicazione dei metamateriali sono i più svariati ma quello che maggiormente colpisce e affascina è rendere gli oggetti invisibili.

Da oltre un decennio la ricerca si è indirizzata a sviluppare una tecnologia atta allo scopo. Ovvero un mantello dell’invisibilità sottilissimo in 2D di 80nm di spessore flessibile e capace di rendere invisibili anche oggetti di forma irregolare.

Questo è costituito da placche rettangolari d’oro definite anche nanoantenne che possono cambiare la direzione dei raggi di luce che le colpiscono.

Quando la luce colpisce un oggetto viene distorta e riflessa in tutta le direzioni ed è questo che ci consente di vedere l’oggetto, le nanoantenne permettono di riflettere in linea retta tutti i raggi di luce che costituiscono il mantello e rendono in questo modo invisibile l’oggetto agli occhi di un osservatore.

Dopo questi prototipi risalenti ad oltre un decennio la ricerca si è affinata e sono stati realizzati metamateriali sempre più sofisticati e finalizzati.

I ricercatori difatti hanno teorizzato dei dispositivi di occultamento che hanno proprietà ottiche inusuali. Essi sono costituiti da gusci sottili di metamateriali in grado di curvare la radiazione elettromagnetica intorno ad una cavità centrale in cui può essere così celato un oggetto anche delle dimensioni di un’astronave. Un telescopio spaziale puntato su tale guscio osserverebbe solo la galassia circostante.

navicella spaziale

 

Negli ultimi anni gli scienziati stanno svolgendo anche altre ricerche, utilizzando questi materiali di ultima generazione per migliorare la difesa dei nostri edifici nei confronti delle azioni sismiche. In un articolo del 2016 alcuni ricercatori spiegano che i metamateriali possono essere utilizzati per realizzare una barriera intorno agli edifici in modo da riflettere e reindirizzare le onde sismiche difendendo così i fabbricati.

Quelle che vengono definite “meta-barriere” verrebbero realizzate costruendo strutture risonanti costituite da masse cilindriche infisse nel terreno.

Questo sistema innovativo è in grado di filtrare oltre il 60% delle onde sismiche o frequenze dannose per le strutture degli edifici. La tecnica costruttiva studiata si applica agli edifici di nuova costruzione ma i ricercatori stanno approfondendo i loro studi cercando tecnologie analoghe per adeguare sismicamente le costruzioni esistenti.

Recentemente due ricercatori indiani hanno presentato uno studio relativo alla possibilità di applicare i metamateriali a difesa di un’intera città.

Essi sono stati ispirati da precedenti studi in cui è stato osservato come gruppi di alberi potrebbero essere utilizzati come metamateriali naturali per mitigare il potenziale dannoso delle onde sismiche.

La conclusione di queste ricerche indica che le altezze degli edifici dovrebbero diminuire radialmente dall’esterno all’interno della città perché in tal modo si ridurrebbe in modo significativo il danno alle strutture.

Un’ulteriore applicazione dei metamateriali riguarda i fenomeni ottici. Un esempio sono le lenti convergenti, le quali sono più spesse al centro che ai bordi affinché le immagini risultino più nitide. Data la particolare geometria, la deviazione operata da queste lenti è tale che un insieme di raggi che giungono con direzione parallela all’asse ottico vengano portati a convergere tutti in uno stesso punto detto fuoco. Poiché la luce può incidere sulla lente sia da destra sia da sinistra, ogni lente ha due fuochi (il fuoco è posto sempre dalla parte opposta rispetto a quella da cui provengono i raggi). La distanza del fuoco dal centro ottico O della lente è la distanza focale.

distanza focale

Le lenti convergenti formano immagini sia virtuali che reali, a seconda della posizione dell’oggetto osservato rispetto all’asse ottico, più piccole o più grandi, rispetto alla sua distanza dalla loro superficie ed infine diritte o capovolte. Un esempio di lenti convergenti sono la lente di ingrandimento, le lenti delle macchine fotografiche e le lenti degli occhiali per i miopi.

Le lenti convenzionali esplicano la loro funzione in base alla loro specifica forma, ricordiamo che esse sono curve perché le onde luminose incidenti devono rallentare nella parte centrale dove lo spessore è maggiore rispetto a quello dei bordi. Per ottenere dei materiali che devono avere le peculiarità sopra descritte date le particolari geometrie legate alla forma, la produzione di esse comporta costi elevati.

L’esigenza di ridurre i costi di produzione delle lenti tradizionali ha spinto i ricercatori a prendere in considerazione i metamateriali per la costruzione di dispositivi ottici.

Gli studiosi hanno immaginato di poter costruire delle lenti che hanno una forma molto più semplice e che presentano proprietà differenti al centro rispetto ai bordi proprio per ottenere lo stesso comportamento delle lenti tradizionali.

L’idea di base è quella di poter controllare le onde luminose “regolando” le proprietà del materiale in maniera del tutto arbitraria.

Un’onda è caratterizzata da una coppia di proprietà fondamentali:

  • Ampiezza ovvero la distanza tra la cresta e il ventre
  • Lunghezza d’onda ovvero la distanza tra due creste adiacenti

La seconda proprietà costituisce la chiave di volta per il dimensionamento e la progettazione di metamateriali aventi la caratteristica di avere una dimensione molto minore rispetto alle lunghezze d’onda della radiazione incidente.

lunghezza d'onda

Di conseguenza si è cercato di creare una particolare disposizione del materiale a griglia che, contrariamente a quanto accadrebbe se fosse realizzato con materiali tradizionali, permetterebbe di attribuire a ciascuna area del materiale particolari proprietà.

Tale “manipolazione” consentirebbe di ottenere delle lenti piatte dove l’onda viaggia lentamente attraverso il centro della struttura e più rapidamente ai bordi.

L’aspetto interessante da osservare è che l’utilizzo dei metamateriali permetterebbe di creare un’onda in uscita che abbia un fronte d’onda arbitrariamente predeterminato, ottenendo in tal modo un materiale con prestazioni molto più elevate.

I metamateriali trovano applicazione anche nel campo medico, grazie alle loro caratteristiche potrebbero essere utilizzati per creare strutture in grado di far ruotare le onde sonore al proprio interno. Questo fenomeno, simile al deviare le onde elettromagnetiche, permetterebbe di compiere un grande salto in avanti per quanto riguarda strumenti medici che utilizzano gli ultrasuoni , come gli ecografi.

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