Il mantello dell’invisibilità esiste davvero? Cosa sono e come funzionano i metamateriali

I metamateriali sono materiali artificiali la cui struttura molecolare conferisce loro la capacità di piegare la luce in modi che non si trovano in natura. Questa è una proprietà di grande interesse scientifico e tecnologico perché permette di realizzare strumenti “fantascientifici” come i cosiddetti mantelli dell'invisibilità. Scopriamo quali sono le proprietà dei metamateriali e come vengono applicate.

Cosa sono i metamateriali

I metamateriali sono particolari materiali prodotti artificialmente manipolando la struttura di materiali già esistenti in modo da ottenere proprietà elettromagnetiche, acustiche, ottiche e meccaniche uniche e introvabili nei materiali naturali.

La loro prima teorizzazione risale al 1968, quando il fisico russo Victor Veselago concepì per primo l’esistenza di un materiale con indice di rifrazione negativo. Una cosa che sembrerebbe impossibile, ma per capirlo vediamo che cos'è l'indice di rifrazione. Si tratta di una grandezza che indica quanto un materiale è in grado di deviare la traiettoria della luce e modificare la velocità di un fascio luminoso che attraversa il materiale stesso.

Per esempio, se immergiamo una matita in un bicchiere d'acqua, vedremo la sua parte immersa “spostata” rispetto alla parte fuori dall'acqua. Questo avviene perché l'acqua ha un indice di rifrazione diverso da quello dell'aria, dunque “piega” la luce in modo diverso.

Cos'hanno di speciale i metamateriali

Ogni materiale ha un indice di rifrazione positivo: significa che l'inclinazione della traiettoria di un raggio di luce viene deviata, ma continua a proseguire “in avanti”. I metamateriali invece hanno un indice di rifrazione negativo, cioè deviano la luce propagandola però “all'indietro”. La differenza rispetto agli specchi è che questi riflettono la luce, non si fanno attraversare da essa!

Ecco quindi cos'hanno di speciale i metamateriali: le immagini che producono quando si fanno attraversare dalla luce si formano in direzione opposta rispetto a quelle prodotte dai materiali convenzionali! Come capirete, realizzare un materiale così controintuitivo è molto difficile: solo all'inizio degli anni Duemila, infatti, alcuni fisici statunitensi dell’Università della California San Diego riuscirono a sviluppare il primo vero metamateriale.

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Il bicchiere invisibile: l’esperimento spiegato dal punto di vista fisico

A cosa può servire un materiale che forma immagini in direzione opposta a quella convenzionale? A rendere “invisibili” gli oggetti!

Metamateriali e invisibilità

Ogni tanto circolano in rete delle immagini di persone che indossano dei presunti mantelli dell'invisibilità. La verità è che con un green screen o qualche gioco di proiezione è semplice ingannare la mente. Se vedete una cosa del genere, si tratta sicuramente di una bufala.

Per quanto possa sembrare strano, nel mondo reale ci sono diversi modi per rendere un oggetto invisibile. Basta giocare con gli indici di rifrazione dei materiali per deviare la luce.

Nel caso dei metamateriali, il modo più studiato per rendere gli oggetti invisibili è stato teorizzato e sperimentato dal prof. John Pendry alla fine degli anni '90. Pendry ha dimostrato che i metamateriali possono essere usati per deviare la traiettoria della luce intorno a un oggetto, facendola curvare intorno ad esso e facendola proseguire per la sua strada, come se l'oggetto avvolto dal metamateriale non esistesse.

Immaginiamo il percorso della luce che viaggia lungo una traiettoria retta. Se il nostro oggetto fosse invisibile, la luce continuerebbe indisturbata il suo percorso come se non ci fossero ostacoli. Ma il nostro oggetto esiste: per ottenere lo stesso effetto, la luce dovrebbe girargli intorno per poi continuare lungo la sua precedente traiettoria, come se nulla fosse.Stiamo parlando insomma di una sorta di mantello dell'invisibilità! Se si riuscisse infatti a creare un materiale con indice di rifrazione tale da distorcere in questo modo la luce, l'oggetto risulterebbe invisibile.

Quello di John Pendry è il primo esempio di cloaking, ossia occultamento, mascheramento di un oggetto.

Come funziona il “vero” mantello dell'invisibilità

Quindi, se non è di tessuto e non si può indossare come quello di Harry Potter, come è fatto questo mantello dell’invisibilità? Contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, quello proposto dagli scienziati ha la forma di un cilindro metallico. Per realizzarlo, gli scienziati hanno creato un nuovo metamateriale in laboratorio, ingegnerizzandone i singoli elementi (chiamati meta-atomi) e distribuendoli in modo che avessero delle spaziature più piccole della lunghezza d’onda della radiazione elettromagnetica con cui dovevano interagire.

Per studiare il problema è stato ingrandito tutto, realizzando delle particelle a scala macroscopica (una specie di atomi giganti) e "ingrandendo" anche la luce, ovvero utilizzando le microonde.

Il cilindro è composto da una lamina di rame di un circuito stampato, realizzato con delle strisce conduttrici a forma di C (chiamate split rings). Le unità sono della grandezza dei millimetri e la radiazione ha una lunghezza d'onda nel vuoto di 3m.

Un oggetto nel cilindro di Pendry risulta invisibile perché questo piega la luce in modo tale da non riflettere indietro le onde, da non disperderle in altre direzioni e da non creare ombre. Insomma il percorso della luce viaggia indisturbato, come se l’oggetto non esistesse.

Nella primo riquadro dell'immagine qui sopra si vede quello che dovrebbe succedere con il giusto mascheramento: le onde passano quasi indisturbate ai lati e oltre il cilindro. Nella seconda si vede quello che invece succede normalmente quando un oggetto ostacola il percorso della luce.

Ora, tutto questo è stato realizzato a scala macroscopica. Per portare questo risultato nella scala normale e con la luce visibile, i meta-atomi dovrebbero rimpicciolirsi in proporzione. E realizzare componenti così piccoli e così complicati è un problema.

Possibili impieghi del cloaking

L’ipotesi più probabile di utilizzo di un mantello dell’invisibilità potrebbe essere in campo militare. Infatti è quello che cerca di ricreare la tuta mimetica. Ovviamente la ricerca sui metamateriali non sono ancora sufficienti per realizzare un vero mantello, né tantomeno per rendere invisibile un jet militare.

Il cloaking inizia a avere più campi di applicazione se pensiamo ad altre tipologie di mascheramento. Potremmo avere dei meccanismi di cloaking acustico oppure termico, elettrico, magnetico o idrodinamico. Alcuni studiosi si sono perfino chiesti se si potesse replicare l’effetto con le onde meccaniche.

Le ricerche sui metamateriali sono tutte in divenire e potrebbero portare innovazione in materia di telecomunicazioni, aerospazio, biotecnologie. Oggi ci sono diverse startup attive sui metamateriali. Secondo Lux Research, il mercato dei metamateriali crescerà fino a raggiungere 10,7 miliardi di dollari nel 2030 (Vicari A. 2019). Insomma, molte sono le strade inesplorate e tutte hanno del potenziale rivoluzionario, ma c'è ancora molta strada ancora da percorrere.