Unisannio e Harvard progettano metamateriali innovativi per manipolare calore e corrente elettrica

Progettare metamateriali multifunzionali in grado di operare in diversi domini fisici sembra essere una possibilità più vicina. Uno studio di ricercatori delle Università del Sannio e di Harvard presenta un approccio teorico al progetto di metamateriali in grado di manipolare diverse quantità fisiche in maniera indipendente e simultanea.

Il settore dei “metamateriali” ha avuto negli ultimi anni uno sviluppo enorme, grazie alla capacità di indurre risposte fisiche assenti in natura. Proposti inizialmente per controllare la luce con modalità senza precedenti, questi materiali artificiali sono stati recentemente generalizzati per manipolare altre quantità fisiche in diversi campi, quali acustica, elastodinamica e finanche trasmissione del calore.

Nonostante l’intrinseca versatilità delle tecniche di progetto alla base, gran parte delle applicazioni è al momento limitata alla realizzazione di singole funzionalità in un dato dominio fisico. Ad esempio, sono stati proposti diversi “mantelli di invisibiltà” basati su metamateriali in grado di rendere un oggetto “invisibile” rispetto a un dato osservabile fisico (ad esempio, luce), ma senza alcun controllo su altri fenomeni fisici (suono, calore, etc.).

Lo studio, pubblicato nella rivista Physical Review X, è stato guidato da Vincenzo Galdi, Professore Associato del Dipartimento di Ingegneria dell’Università del Sannio, e Yuki Sato, Rowland Junior Fellow al Rowland Institute dell’Università di Harvard. Il gruppo di ricerca include Giuseppe Castaldi, Ricercatore all’Università del Sannio, Massimo Moccia, Ricercatore Postdoc nel Gruppo di ricerca di Galdi, e Salvatore Savo, Ricercatore Postdoc nel Gruppo di ricerca di Sato.

“Se pensiamo a un circuito integrato, ogni componente è progettato per giocare un ruolo specifico: le interconnesioni metalliche trasportano la corrente elettrica, mentre un blocco separato agisce da dissipatore di calore”, ha illustrato Sato. “La capacità di progettare un singolo blocco in modo da eseguire funzioni multiple in diversi domini fisici, in maniera indipendente ma simultanea, potrebbe condurre a modalità completamente diverse per il progetto di sistemi complessi.”

Dal punto di vista matematico, l’approccio proposto dai ricercatori è basato sulla ben nota tecnica delle trasformazioni di coordinate. Questa tecnica, interpretando la deflessione del flusso di energia come una distorsione dello spazio dovuta a una trasformazione di coordinate, fornisce una ricetta sistematica ed efficace per il progetto e la fabbricazione di strutture artificiali in grado di manipolare il flusso di una data quantità fisica in maniera desiderata.

“Tipicamente, questa teoria si applica a un singolo dominio fisico”, ha spiegato Galdi. “Nel nostro approccio, invece sfruttiamo trasformazioni di coordinate distinte (sebbene interconnesse) per manipolare simultaneamente fenomeni fisici multipli in maniera indipendente. Così, ad esempio, un materiale può essere progettato per esibire una particolare funzionalità termica, pur avendo una funzionalità elettrica drasticamente diversa.”

Come possibile esempio, i ricercatori hanno progettato un “guscio” di metamateriale che si comporta da concentratore termico e mantello di invisibilità elettrico. In un guscio di questo tipo, il flusso termico e la corrente elettrica seguono dei percorsi marcatamente diversi, con il primo che tende a concentrarsi nella regione interna, mentre la seconda tende a evitare la stessa regione.

SCHEMA DI PRINCIPIO – In un materiale convenzionale omogeneo (riquadro superiore) il flusso termico e la corrente elettrica seguono percorsi rettilinei. In presenza di un guscio anulare di metamateriale opportunamente progettato (riquadro inferiore), il flusso termico è deviato in modo da concentrarsi nella regione interna al guscio, mentre la corrente elettrica è deflessa in modo da evitare la stessa regione. Come risultato, la struttura si comporta simultaneamente da concentratore termico e mantello di invisibilità elettrico.

“Oltre a fornire una prova di principio, la manipolazione indipendente di correnti elettriche e termiche è molto importante dal punto di vista applicativo”, ha evidenziato Sato. “Un’applicazione particolarmente intrigante è l’ingegnerizzazione di materiali termoelettrici, che risultano estremamente promettenti per il riciclo energetico attraverso la conversione di calore residuo (generato ad esempio dal processore di un computer) in potenza elettrica aggiuntiva. Per questi materiali, il controllo indipendente della conducibilità elettrica e di quella termica è di fondamentale importanza, e potrebbe incidere sulla figura di merito con modalità ancora largamente inesplorate.”

Sebbene siano basati su teoria e simulazioni numeriche, i risultati dello studio indicano che la realizzazione pratica di questi metamateriali dovrebbe essere alla portata delle attuali tecnologie di fabbricazione.

“Mentre le generalizzazioni matematiche sono state relativamente semplici, il vero problema è stato fornire una dimostrazione convincente della fattibilità pratica di questi metamateriali”, ha sottolineato Galdi. “Le nostre simulazioni numeriche mostrano effettivamente che queste strutture possono essere fabbricate attraverso piccoli sotto-blocchi elementari di materiali realistici, come ad esempio grafite, fibre di carbonio e nitruro di alluminio.”

Oltre alla fabbricazione dei metamateriali e ai test di laboratorio, le ricerche future sono anche orientate a esplorare possibili estensioni dell’approccio.

“Il nostro approccio può essere esteso e applicato a una varietà di scenari che comprendono fenomeni elettrici, magnetici, acustici e termici in diverse combinazioni, in regime sia statico sia dinamico”, ha evidenziato Sato.

“Inoltre, questo concetto può essere integrato in materiali avanzati quali polimeri, materiali ceramici, biomateriali e film sottili, abbracciando diversi ordini di grandezza in scala, dal livello atomico e molecolare ai compositi macroscopici.”

“L’applicazione di tecniche di progetto basate su trasformazioni di coordinate ha avuto un impatto dirompente nell’ottica e nella fotonica, portando al concepimento e alla realizzazione di un grande varietà di metamateriali elettromagnetici con attributi non convenzionali”, ha aggiunto Galdi.

“Ci aspettiamo che l’ingegnerizzazione di materiali basati su trasformazioni di coordinate in domini fisici multipli possa, allo stesso modo, aprire la strada al progetto di materiali multifunzionali con caratteristiche senza precedenti.”