NUOVI MATERIALI/ Come incidere l’acciaio per imbrigliare le onde elastiche

- Paolo Floriani

Gli ingegneri dell’Università del Missouri hanno progettato un materiale strutturale in grado di controllare le onde elastiche utilizzando un acciaio come unico componente. PAOLO FLORIANI

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Il nuovo metamateriale con ingrandimento delle microstrutture (Credit Guoliang Huang)

Controllare l’elasticità. È un vecchio sogno che ogni tanto vede scienziati e tecnologi fare qualche passo in avanti e spalancare promesse di nuove applicazioni. Oggetto delle ricerche di fisici e ingegneri, e ora sempre più di scienziati dei materiali, sono le onde elastiche: come quelle che si trasmettono lungo una corda, come le temibili onde sismiche dei terremoti e come le più piacevoli onde sonore, cioè quelle che percepiamo come suoni. Sono tutti esempi di onde elastiche, chiamate così perché la loro propagazione è dovuta alle forze elastiche che si manifestano fra le particelle del mezzo materiale nel quale viaggiano. Le onde elastiche hanno la caratteristica, tra le altre, di attraversare una sostanza senza causare sostanziali modifiche permanenti della sua fisionomia.

Non tutte le onde meccaniche sono elastiche; ad esempio, le onde di superficie che si propagano lungo il confine fra due mezzi, come le onde del mare, sono onde meccaniche non elastiche: in tal caso la forza di richiamo, che genera il movimento alternato delle particelle, non è di natura elastica bensì gravitazionale.

Certe analogie, dal punto di vista del comportamento fisico (si pensi alla riflessione e rifrazione), tra le onde elettromagnetiche e le onde elastiche hanno alimentato l’idea di realizzare delle strutture che permettano alcune manipolazioni delle onde; strutture chiamate metamateriali acustici, quindi materiali in grado di lasciarsi attraversare completamente dalle onde meccaniche, o di rifletterle totalmente. Questa nuova classe di materiali potrebbe offrire interessanti applicazioni, a partire dalla possibilità di trasmettere completamente le onde meccaniche (qualcuno ha già parlato della possibilità di realizzare l’invisibilità acustica) o di focalizzare direttamente le onde meccaniche.

I tentativi di manipolazione delle onde elastiche finora non sono mancati e si sono basati sull’impiego di particolari combinazione di materiali come metallo e gomma: se efficacemente curvati e piegati, questi materiali combinati fornivano qualche iniziale capacità di controllo delle onde elastiche. Sistemi del genere sono impiegati in particolare nelle apparecchiature per il controllo, lo smorzamento e l’isolamento di vibrazioni in grandi macchinari e in impianti di ogni tipo.

Ora però un gruppo di ingegneri dell’Università del Missouri, guidati da Guoliang Huang professore di ingegneria meccanica e aerospaziale, hanno progettato un materiale strutturale in grado di controllare le onde elastiche utilizzando un unico componente: un acciaio.

Il nuovo materiale è stato realizzato a partire da un unico foglio di acciaio incidendo con un laser delle forme “chirali”: la chiralità è quella proprietà di alcune strutture di avere la propria immagine speculare non sovrapponibile; gli schemi microstrutturali geometrici incisi sull’acciaio da Huang sono appunto asimmetrici rispetto alle loro immagini speculari. Le idee di base e le prime verifiche sperimentali sono state presentate recentemente sulla rivista Nature Communicationsnell’articolo “Negative refraction of elastic waves at the deep-subwavelength scale in a single-phase metamaterial”.

È la prima volta che materiali del genere si ottengono con un unico supporto; ciò riduce molto le difficoltà incontrate finora e semplifica la fabbricazione di nuovi dispositivi; in particolare, dalla capacità di percepire le onde elastiche e di manipolarle a piacimento, ci si aspettano miglioramenti nel trattamento dei segnali a banda larga e delle immagini.  

«Allo stato attuale – ha dichiarato Huang – il metallo è un materiale passivo, significa che abbiamo bisogno di introdurre altri elementi che ci aiuteranno a controllare le onde elastiche che trasmettiamo. Stiamo lavorando per cercare di rendere questo materiale molto più attivo integrando materiali intelligenti come i microchip che sono controllabili. Questo ci darà la possibilità di “sintonizzarci” efficace con qualsiasi onda elastica a qualunque frequenza e di generare le risposte desiderate. Manipolazioni del genere ci daranno gli strumenti necessari per controllare come l’onda interagisce con ciò che incontra».

Tra le prospettive aperte dal il controllo delle onde elastiche tramite questi nuovi metamateriali ci sono i sensori a super-risoluzione, i dispositivi acustici e altra strumentazione medicale, e quelle che vengono chiamate “superlenti”, che potrebbero portare avanzamenti significativo nel campo dell’imaging grazie alla possibilità di focalizzare più direttamente le onde.

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