AES_6 2022

INDAGINE Approfondimenti 40 Settembre 2022 n Automazione e Strumentazione un singolo foglio di grafene largo 1 metro quadro dal peso di 0,7 mg è potenzialmente in grado di so- stenere il peso di 4 kg. Il grafene sta cambiando molte regole del mercato dei materiali. Viene ad esempio utilizzato in com- binazione con altri materiali, rivoluzionandone l’efficienza, nelle batterie degli smartphone, nelle lampade con filamenti incandescenti, nei dispositivi indossabili e IoT, nell’abbigliamento, negli pneu- matici e nel tracciamento della catena alimentare. Nanotubi al carbonio Una delle prime molecole con proprietà su nanosca- la sintetizzata nel 1985, il fullerene (C60), è alla base dei nanotubi di carbonio costituiti da fogli di grafene arrotolati in tubi cilindrici vuoti, con dia- metro che varia tra 1 e 100 nm. Tali strutture hanno ottime proprietà conduttrici e meccaniche . Sono infatti in grado di aumentare significativamente la resistenza meccanica, elettrica e termica di materiali come le resine termoplastiche e termoindurenti. In altre parole fibre di nanotubi, possono costitu- ire un’ossatura simile a quella del cemento arma- to, sotto forma di materiali plastici, che diventano molto più resistenti e usabili per trasportare segnali elettrici. Grazie a queste caratteristiche i nanotubi al carbonio sono adatti a realizzare sensori, diodi, transistor, LED, laser a ultravioletti, celle fotovol- taiche e altri dispositivi. Metamateriali I primi studi teorici sui metamateriali risalgono alla fine degli anni ‘60 circa quando il fisico ucraino Victor Vaselago , ipotizzando l’esistenza di mate- riali con permeabilità elettrica e magnetica entram- be negative e senza perdite, riscontrò effetti anomali nella propagazione di un’onda elettromagnetica pia- na monocromatica all’interno di tali materiali. Data l’impossibilità di riprodurre tali materiali in labora- torio, a causa dei limiti tecnologici dell’epoca, que- ste ricerche restarono un lavoro puramente teorico fino agli anni ‘90. Oggi i metamateriali esistono nella realtà e sono composti macroscopici artificiali con indice di rifrazione negativo , costituiti da celle elementari dalle dimensioni molto più piccole della lunghezza d’onda della radiazione con cui interagiscono. Le celle, costituite da inclusioni poste nel volume o sul- la superficie di un materiale ospite, sono progettate per produrre caratteristiche assenti in natura e non osservate nei singoli materiali costituenti. I metamateriali hanno mostrato una flessibilità sen- za precedenti nel manipolare le onde elettromagne- tiche e produrre nuove funzionalità includendo ad esempio la capacità di costruire sistemi ottici con potere risolutivo molto inferiore alla lunghezza d’onda, al punto da poter rendere invisibili oggetti macroscopici. Una delle applicazioni più interessanti dei metama- teriali è l’impiego in antenne che possono essere incise su dispositivi in miniatura o su circuiti estre- mamente piccoli che controllano le frequenze a ban- da larga e lo sfasamento nell’elettronica. I metamateriali possono essere utilizzati anche nei sistemi di imaging che operano a risoluzioni supe- riori ai limiti delle dimensioni della lunghezza d’on- da della luce. I ricercatori hanno investigato anche il campo delle onde THz (vicine alle microonde e all’infrarosso) al fine di creare metamateriali flessi- bili e indossabili. Nello studio “Tunable photo-responsive elastic me- tamaterials” coordinato dal Politecnico di Torino i ricercatori hanno realizzato un metamateriale stam- pato in 3D, composto da molecole foto-reattive, le cui proprietà elastiche variano se stimolate con un laser a luce blu. Si tratta di un primo passo nella pro- gettazione e realizzazione di “metamateriali regola- bili” con la luce che potranno essere sfruttati come strutture guidanti, risuonatori e interruttori per onde elastiche. Un gruppo di ricerca del Dipartimento di Inge- gneria dell’Informazione, Elettronica e Teleco- municazioni della Sapienza ha realizzato un meta- Andrej Gejm e Konstantin Novoselov scopritori del grafene