I METAMATERIALI E LE APPLICAZIONI STEALTH IN CAMPO NAVALE, AERONAUTICO E TERRESTRE

I metamateriali sono composti macroscopici costruiti artificialmente, costituiti di celle elementari che possono avere disposizione periodica o anche non periodica, ma che devono soddisfare la condizione di avere dimensioni molto più piccole della lunghezza d’onda della radiazione con cui interagiscono. Le celle, costituite da inclusioni poste nel volume o sulla superficie di un materiale ospite, sono progettate per produrre nuove caratteristiche che non si trovano in natura. 

Tali proprietà nascono da funzioni di risposta della cella base, qualitativamente nuove, che non sono osservate nei singoli materiali costituenti. La condizione che la cella unitaria sia di dimensioni molto minori della lunghezza d’onda di operazione dipende, come già detto, dal fatto che la radiazione valuta la risposta del materiale operando una media su un volume che ha dimensioni dell’ordine del cubo della sua lunghezza d’onda. 

Mentre questo è abbastanza facile nelle microonde, dove la lunghezza d’onda è dell’ordine del centimetro, e quindi i blocchi unitari di costruzione possono avere dimensioni dell’ordine del millimetro o di una sua frazione, nel campo dell’infrarosso o del visibile le strutture devono avere dimensioni nanometriche e questo costituisce una sfida alle tecnologie moderne di costruzione di materiali innovativi.

I metamateriali così definiti sono materiali costruiti per avere un comportamento elettromagnetico che si estrinsechi in costante dielettrica (ε) e permeabilità magnetica (μ) con valori prestabiliti all’inizio della loro progettazione. 

È possibile anche pensare di costruire, seguendo gli stessi principi, metamateriali con particolari comportamenti termici o meccanici: essi hanno mostrato una flessibilità senza precedenti nel manipolare le onde elettromagnetiche e produrre nuove funzionalità includendo, per es., la capacità di costruire sistemi ottici con potere risolutivo molto inferiore alla lunghezza d’onda (super risoluzione) e di rendere oggetti macroscopici invisibili. 

Essi offrono possibilità interessanti per nuove applicazioni elettromagnetiche in diverse aree, come:

• le immagini mediche;
• nuove lenti;
• antenne per radar;
• applicazioni ai sistemi di difesa;
• telecomunicazioni e così via.

Sono di particolare importanza nell'elettromagnetismo: sono promettenti per le applicazioni ottiche e nel campo delle microonde e radome di antenne.

Il processo di realizzazione di una struttura che soddisfi determinati requisiti è estremamente complesso ed integrato nelle sue varie fasi che vanno dalla concezione ed analisi strutturale alla scelta dei materiali e loro caratterizzazione, passando per lo sviluppo di nuove tecnologie di fabbricazione e prova ed infine alla certificazione o qualifica della struttura stessa.

Per essere realmente capaci di introdurre innovazione è richiesta in tale settore una forte integrazione verticale che consenta di raggiungere obiettivi di ricerca tecnologica molto ben individuati quali:

• La riduzione dei costi di progettazione e certificazione attraverso lo studio e lo sviluppo di metodi e modelli di simulazione innovativi;
  
• La riduzione dei tempi e dei costi di produzione e di assemblaggio attraverso lo studio, lo sviluppo e la messa a punto di nuovi processi di fabbricazione e prototipizzazione.
  
• Lo sviluppo di nuovi materiali altamente performanti e multifunzionali al fine di ridurre il peso e quindi il costo della struttura
  

Per poter perseguire costantemente tali obiettivi, le attività dell'Unità disciplinare sono quindi finalizzate a:

• Garantire le competenze e i mezzi strumentali presidiati, lo sviluppo di programmi e progetti di ricerca.
• Contribuire alla competitività aziendale.
• Garantire il rispetto delle normative aeronautiche e spaziali vigenti.
  

Come già detto, un metamateriale è un mezzo artificiale che dal punto di vista elettromagnetico, esibisce proprietà che vanno al di là di quelle possedute dagli ordinari mezzi naturali. 

Il procedimento realizzativo è costituito dalla ripetizione periodica di una cella unitaria con dimensione caratteristica a, che rispetta il limite di omogeneizzabilità a < λ/4. 

Rispettando tale condizione, il mezzo risulta omogeneizzabile e può essere descritto attraverso una permettività e una permeabilità efficaci. 

L’assorbitore metamateriale ideale è un dispositivo in cui tutta la radiazione incidente è assorbita alla frequenza di lavoro.

Progressive ottimizzazioni della struttura hanno portato all’elaborazione di alternativi modelli di assorbitori metamateriali con assorbimenti fino al 99.99%. 

Le prospettive di impiego nella componentistica spaziale sono la riduzione delle interferenze nei circuiti elettronici per risolvere problemi di compatibilità elettromagnetica; il perfezionamento delle proprietà radiative delle antenne soprattutto nella riduzione della radiazione dei lobi laterali; la riduzione della radar cross section (RCS); la ottimizzazione di apparati radar sia nella rilevazione che nell’occultamento verso altri sistemi radar.

Le caratteristiche macroscopiche del metamateriale non dipendono solo dalla sua struttura molecolare, ma anche dalla sua geometria realizzativa. In altri termini, un metamateriale guadagna le sue proprietà dalla sua struttura piuttosto che direttamente dalla sua composizione chimica.

Per distinguere i metamateriali da altri materiali compositi, il termine metamateriale viene di solito usato per un materiale che ha proprietà insolite. Il termine fu coniato nel 1999 da Rodger M. Walser dell'Università del Texas ad Austin. 

Egli definì i metamateriali come:

“””Compositi macroscopici aventi una architettura tridimensionale cellulare periodica e sintetica progettata per produrre una combinazione ottimizzata, non disponibile in natura, di due o più risposte a una specifica sollecitazione”””.

Ricercatori sull'elettromagnetismo spesso usano il termine in modo abbastanza ristretto per materiali che rivelano una rifrazione negativa. Alla Duke University Pratt School of Engineering e all'Imperial College di Londra è stato realizzato un metamateriale con indice di rifrazione negativo rispetto alle microonde con un array di piccole antenne risonanti metalliche di dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda delle microonde. Il metallo utilizzato come materiale non ha la proprietà dell'indice di rifrazione negativo, ma la assume come metamateriale con quella particolare struttura geometrica.

Un metamateriale interessa le onde elettromagnetiche, avendo caratteristiche strutturali più piccole della lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica con cui interagisce. Per esempio, se un metamateriale si trova a funzionare come materiale omogeneo fedelmente descritto da un effettivo indice di rifrazione, le sue caratteristiche devono essere più piccole della lunghezza d'onda. Per la luce visibile, la cui la lunghezza d'onda è tipicamente minore di un micrometro (560 nanometri per la luce del sole), le strutture sono generalmente la metà di questa dimensione o più piccole; per es., meno di 280 nanometri. Per la radiazione delle microonde, le strutture necessitano solo che siano sull'ordine di un decimetro. 

I metamateriali a frequenza delle microonde sono di solito artificiali, costruiti come schiere (arrays) di elementi elettricamente conduttivi. Sono di solito sono composti da strutture periodiche, e di conseguenza hanno molte similarità con i cristalli fotonici e le superfici di frequenza selettive. 

Il più grande potenziale dei metamateriali è la possibilità di creare una struttura con un indice di rifrazione negativo, poiché questa proprietà non viene trovata naturalmente in nessun materiale. 

Un'applicazione dei metamateriali potrebbe essere quella di manipolare le frequenze comprese tra i 300 GHz e i 10 THz. Queste frequenze non possono essere gestite dalle apparecchiature elettroniche convenzionali per via della frequenza eccessivamente elevata ma nel contempo hanno frequenze troppo basse per essere gestite dalle apparecchiature ottiche. Ricercatori del Los Alamos National Laboratory utilizzando dei metamateriali sono riusciti a manipolare segnali entro questo intervallo di frequenze.

Si possono utilizzare i metamateriali per l'occultamento di velivoli o navi ai radar e alla radiazione ottica. I primi metamateriali furono sviluppati da W.E. Kock nei tardi anni '40. 

I metamateriali possono essere un punto di partenza possibile per costruire dispositivi mascheranti o dispositivi di occultamento. 

Nell'ottobre del 2006, un gruppo di scienziati britannici e statunitensi creò un metamateriale che rendeva un oggetto invisibile alla radiazione delle microonde. Poiché la luce è precisamente un'altra forma di radiazione elettromagnetica, questo venne considerato il primo passo verso un dispositivo mascherante per la luce visibile.

Il 2 aprile del 2007, due ingegneri della Purdue University annunciarono un progetto teorico per un dispositivo mascherante ottico basato sul concetto britannico del 2006. Il progetto schiera un apparato di minuscoli aghi progettati per un raggio di centrale che renderebbe un oggetto come fosse dentro un manto invisibile ad una lunghezza d'onda di 632.8 nanometri.

La Duke University e l'Imperial College London stanno attualmente facendo ricerche riguardo a questo uso di metamateriali e sono riusciti a nascondere un oggetto allo spettro delle microonde utilizzando speciali anelli concentrici; le microonde furono semplicemente influenzate dalla presenza dell'oggetto nascosto.

I metamateriali sono stati proposti per progettare antenne agili. Una ricerca del National Institute of Standards and Technology ha dimostrato che pellicole sottili di metamateriali possono fortemente ridurre la dimensione dei circuiti risonanti che generano le microonde, potenzialmente permettendolo perfino ai più piccoli cellulari e altri dispositivi a microonde. È stato teorizzato che i metamateriali potrebbero essere progettati per flettere la materia circostante a causa delle sue proprietà subatomiche. Similmente un mantello di metamateriale potrebbe per esempio piegare un proiettile attorno a una persona piuttosto che assorbire l'impatto come fanno i tradizionali giubbotti antiproiettile.

Nel 2006, i ricercatori della Duke University e dell'Imperial College di Londra erano riusciti a muovere i primi passi per la creazione di un "mantello dell'invisibilità" sfruttando le particolari proprietà di alcuni metamateriali appositamente messi a punto. Alcuni ricercatori hanno a quel punto cercato di trovare un analogo "mantello" per le onde sonore, scontrandosi tuttavia con la difficoltà che alcune analogie fra le onde elettromagnetiche e quelle sonore indispensabili per trasferire il risultato ottenuto nell'abito delle microonde a quello delle onde sonore sembravano valide solamente nelle due dimensioni me non nelle tre.

Ora, come riportano in una nota pubblicata sul "Physical Review Letters", Steven Cummer della Pratt School of Engineering della Duke University e David Schurig della North Carolina State University sono riusciti a elaborare un modello teorico che ha permesso loro di dimostrare che, almeno in linea di principio, è possibile mettere a punto metamateriali che si comportino come un "mantello dell'invisibilità acustica".

La prima possibile applicazione di questa tecnica, se e quando si dimostrerà perseguibile anche in via pratica, è quella della creazione di scudi acustici che impediscano la localizzazione di sottomarini da parte dei sonar, di chiaro interesse militare.

Tuttavia i ricercatori che hanno elaborato la teoria non nascondono ambizioni di ben più vasta portata. In particolare, essi hanno indicato che una possibile linea di ricerca potrebbe puntare alla progettazione di "scudi" in grado di schermare le onde sismiche.

I metamateriali sono mezzi artificiali provvisti di strutture periodiche che esibiscono proprietà uniche quando interagiscono con onde elettromagnetiche rispetto ai mezzi naturali. 

I metamateriali, che offrono opportunità di applicazione interessanti in tutto lo spettro elettromagnetico, si rivelano cruciali alle frequenze del Terahertz (THz). La radiazione THz si colloca nello spettro delle onde elettromagnetiche tra le microonde e l’infrarosso, dunque invisibile all’occhio umano, e risulta essere la nuova frontiera di ricerca e di applicazioni tecnologiche in svariati settori che vanno dall’astronomia allo studio dei beni culturali.

La natura non ionizzante della radiazione THz consente, inoltre, applicazioni avanzate nella scienza dei materiali e nella diagnostica medica, consentendo di identificare diverse sostanze, ad esempio cellule tumorali, attraverso i loro specifici pattern di assorbimento.

Lo sviluppo di metamateriali assorbitori alle frequenze elettromagnetiche del THz rappresenta una fertile e interessante area di ricerca poichè è difficile trovare materiali naturali con elevati assorbimenti in bande spettrali strette e facilmente integrabili in dispositivi su tecnologia planare.

Inoltre, la possibilità di creare prototipi potenzialmente flessibili ed indossabili, apre questo filone di ricerca a svariate nuove applicazioni in campo medico, aerospaziale e della sicurezza.

Da una collaborazione tra due team del Cnr, nasce un dispositivo a forte assorbimento nel campo THz, ultra-leggero, ultra-sottile, biocompatibile, facile da fabbricare e potenzialmente arrotolabile ed indossabile. L’istituto Imm-Cnr ha realizzato il dispositivo con un nuovo processo di fabbricazione di substrati ultra-sottili che possono essere facilmente attaccati e staccati dal loro supporto rigido sfruttando particolari trattamenti chimici della superficie come nel caso di un adesivo.  La verifica delle peculiari prestazioni del metamateriale è stata resa possibile grazie ad un innovativo sistema per spettroscopia THz nel dominio del tempo (THz-TDS) messo a punto dal team dell’Isc-Cnr e del Dipartimento di fisica dell’Università Sapienza. Ciò ha consentito di eseguire la verifica delle prestazioni del dispositivo previste in fase di progetto con una accuratezza mai ottenuta prima d’ora nelle medesime condizioni operative in cui il metamateriale flessibile ed indossabile potrà trovare impiego. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Scientific Reports.



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