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Un materiale flessibile e leggero
I ricercatori dell'Università di St. Andrews hanno creato fogli di un metamateriale flessibile in grado di manipolare la luce visibile. È un passo avanti piuttosto significativo, dice Steven Cummer , professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke University e inventore del primo mantello dell'invisibilità basato su metamateriali. Alle frequenze radio sappiamo come fare molte di queste cose. Ma alle lunghezze d'onda ottiche, le cose sono state molto limitate nella fabbricazione.
Ora lo vedi: Un foglio di Metaflex, un nuovo metamateriale che potrebbe essere utilizzato in dispositivi e tessuti in grado di manipolare la luce visibile.
I metamateriali consentono ai ricercatori di manipolare le onde elettromagnetiche oltre i confini di ciò che la fisica consente nei materiali naturali. Oltre a promettere migliori celle solari e lenti per microscopi ad alta risoluzione, i metamateriali sono stati utilizzati anche per creare i cosiddetti mantelli dell'invisibilità, in cui le onde elettromagnetiche vengono piegate attorno a un oggetto come se semplicemente non ci fosse.
Tuttavia, i metamateriali devono essere costituiti da elementi più piccoli della lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica manipolata. Ciò significa che i mantelli dell'invisibilità (e la maggior parte dei dispositivi metamateriali in generale) funzionano solo con lunghezze d'onda più lunghe di quelle che si trovano nella luce visibile, come le frequenze radio e microonde. I metamateriali progettati per funzionare con lunghezze d'onda ottiche sono costruiti su substrati rigidi e fragili e, di conseguenza, sono stati confinati in laboratorio.
Il nuovo metamateriale, soprannominato Metaflex dai suoi creatori, è prodotto su un substrato rigido. Un primo strato sacrificale del materiale viene depositato su questo substrato per impedire agli strati successivi di attaccarsi a questo substrato. Viene quindi steso un foglio di polimero plastico flessibile, trasparente. Successivamente, un processo litografico, simile a quello utilizzato per realizzare i chip di silicio, crea un reticolo di lingotti d'oro, ciascuno lungo da 100 a 200 nanometri e spesso 40 nanometri, sopra il polimero. (Queste barre agiscono come nanoantenne che interagiscono con le onde elettromagnetiche in ingresso.) Il materiale Metaflex viene quindi immerso in una sostanza chimica che rilascia il polimero dallo strato sottostante e dal substrato rigido.
Variando la lunghezza e la distanza delle nanoantenne, Metaflex può essere sintonizzato per interagire con diverse lunghezze d'onda della luce. I semplici fogli testati dai ricercatori hanno semplicemente bloccato una porzione di un raggio di luce in ingresso a specifiche lunghezze d'onda, ma questo è sufficiente per dimostrare che Metaflex è un metamateriale funzionante. I ricercatori di St. Andrew hanno testato lunghezze d'onda fino a 620 nanometri (corrispondenti a un colore rosso).
Finora, i ricercatori hanno prodotto fogli flessibili larghi cinque per otto millimetri e sottili fino a quattro micrometri. Mentre un campione delle dimensioni di un'unghia può sembrare piccolo, è un grande passo avanti rispetto alle dimensioni microscopiche di altri metamateriali ottici. Gli scienziati di St. Andrew's sono fiduciosi che Metaflex possa essere prodotto in dimensioni ancora più grandi e in volumi elevati. È assolutamente scalabile a livelli industriali, afferma Andrea Di Falco, l'autore principale di a carta pubblicato in Nuovo Giornale di Fisica ieri che descrive il materiale.
Anche a piccole dimensioni, è probabile che la flessibilità del materiale conferisca alcuni grandi vantaggi. Vorresti davvero essere in grado di modellare i metamateriali ottici in cilindri o sezioni sferiche. Ciò potrebbe consentire, ad esempio, la creazione di superlenti curve che potrebbero ingrandire oggetti così piccoli da non essere attualmente visibili con lenti ottiche a causa degli effetti di diffrazione. Su substrati rigidi, è quasi impossibile fabbricare quel genere di cose, dice Cummer della Duke University, ma con un materiale flessibile, potresti fabbricarlo piatto e piegarlo facilmente in forma.
Di Falco ritiene che dovrebbe essere possibile impilare tra loro fogli di Metaflex per creare spessi strati e blocchi di materiale, creando il primo metamateriale ottico con un notevole ingombro tridimensionale. Un tale sviluppo aprirebbe la porta a nuove proprietà, inclusa, forse, la capacità di lavorare con più di una singola lunghezza d'onda alla volta. Altri ricercatori sono stati in grado di creare metamateriali che possono essere sintonizzati per rispondere a diverse singole lunghezze d'onda dopo la fabbricazione, ma idealmente vorrebbero un materiale in grado di funzionare contemporaneamente su un'ampia banda di lunghezze d'onda. Ciò potrebbe essere ottenuto impilando fogli di MetaFlex, ciascuno sintonizzato su una lunghezza d'onda diversa.
Il prossimo passo dei ricercatori è creare queste pile e studiare come cambiano le proprietà di Metaflex quando i fogli vengono attorcigliati, allungati o piegati.
In definitiva, afferma Di Falco, Metaflex potrebbe avere applicazioni come la manipolazione della luce da un LED integrato in una lente a contatto per la realtà aumentata, in modo che le immagini generate al computer vengano proiettate sulla retina di chi lo indossa. E, naturalmente, c'è l'invisibilità. Se hai qualcosa di flessibile, potresti incorporarlo in un tessuto. Quindi potresti pensare di mettere a punto le proprietà di ogni singolo strato per modificare la risposta del tessuto, dando qualcosa di simile al camouflage. Quindi, sì, ci sono alcuni motivi per [un mantello dell'invisibilità]. Non domani. Ma è su questo che lavorerò, dice Di Falco.