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La forza repulsiva potrebbe eliminare il nanoattrito
Quando due oggetti sono così vicini che la distanza tra loro è all'incirca della stessa dimensione delle fluttuazioni quantistiche chiamate particelle virtuali, vengono avvicinati. Questo effetto, causato dalla forza di Casimir, non è qualcosa di cui l'umanità ha dovuto preoccuparsi fino a poco tempo fa. Ma mentre i ricercatori sviluppano dispositivi nanomeccanici per le comunicazioni e il calcolo, la cosiddetta stiction è emersa come un potenziale ostacolo che potrebbe, ad esempio, limitare la densità dei chip di memoria. Ma c'è un rovescio della medaglia nella forza di Casimir che potrebbe abilitare, piuttosto che ostacolare, i nano dispositivi. Hendrik Casimir, che descrisse la sua omonima forza nel 1948, ed Evgeny Lifshitz, che ampliò il suo lavoro, predissero che a distanze leggermente maggiori, questa forza sarebbe diventata ripugnante. Ora i ricercatori dell'Università di Harvard e del National Institutes of Health hanno visto per la prima volta questa forza repulsiva in laboratorio.
In questa illustrazione della forza di Casimir, una piccola sfera d'oro e un piatto subiscono l'attrito (a destra). Ma con la giusta combinazione di materiali, come a sinistra, dove una sfera d'oro è accoppiata con una lastra di silice, la forza di Casimir si inverte, diventando ripugnante. I futuri dispositivi su scala nanometrica potrebbero trarre vantaggio da questo effetto. Credito: U. Christensen
I ricercatori hanno invertito la forza di Casimir attraverso la scelta dei materiali. Se la forza è attrattiva o repulsiva, si scopre, dipende dalle permittività dielettriche relative delle due superfici e del mezzo che sta tra di esse. (La permittività dielettrica è una proprietà materiale che descrive il modo in cui un materiale interagisce con i campi elettrici.) Quando i ricercatori hanno unito una sfera rivestita d'oro di circa 40 micrometri di diametro e una piastra di silice, entrambe immerse nel bromobenzene liquido, hanno misurato un repulsivo Casimir forza. La sfera d'oro è stata attaccata a un microscopio a forza atomica, che è stato utilizzato per rilevare questa repulsione. Questi risultati sono descritti nella rivista Natura .
Questi risultati suggeriscono che dovrebbe essere possibile creare dispositivi nanomeccanici privi di attriti e senza attrito basati su ciò che i ricercatori chiamano levitazione quantistica. Non è ancora chiaro quali applicazioni verranno trovate per la levitazione quantistica, ma secondo un comunicato stampa di Harvard, i ricercatori hanno depositato un brevetto statunitense che copre i nano dispositivi basati sul fenomeno. Pensa ai cuscinetti a sfera senza attrito e ai rilevatori di sostanze chimiche ultrasensibili.
I ricercatori di Harvard erano guidati da Federico Capasso , un fisico che ha sviluppato il primo laser a cascata quantistica presso i Bell Labs a metà degli anni '90. È stato anche presentato nella nostra sezione 10 tecnologie emergenti nel 2007 per il suo lavoro sulle antenne ottiche.