Abbiamo già visto un esempio di come l’uomo abbia spesso da imparare dalla natura. Oggi vedremo un esempio opposto, cioè di come l’intelletto umano possa creare meraviglie alle quali la natura non aveva pensato.

Uno specchio è un oggetto che riflette la luce; una lente è un oggetto che la rifrange (ovvero la trasmette, deviandola). Il prossimo oggetto che comparirà nei capitoli di ottica geometrica sarà probabilmente il mantello.

Esatto: scienziati delle più prestigiose università sono recentemente riusciti a sintetizzare metamateriali con proprietà ottiche senza precedenti, creando così il fenomeno dell’invisibilità. Sarete sorpresi di sapere che, sebbene sia possibile vedere attraverso un oggetto invisibile, l’invisibilità non è una condizione di estrema trasparenza, bensì la capacità di eludere la luce. Questo è possibile se l’oggetto in questione devia la luce in un modo che richiama – visivamente – il fluire di un ruscello attorno ad un masso. Affinché un materiale manifesti questo comportamento, esso deve possedere un indice di rifrazione negativo, mai osservato per nessun materiale esistente in natura o creato dall’uomo… sino a pochi anni fa.

Optics: Farewell to Flatland (Ortwin Hess, Nature 455, p. 299)

L’indice di rifrazione è quantità affascinante che – tra le altre cose – misura (sto semplificando) la deviazione che subisce un fascio luminoso quando attraversa un materiale. Il segno “meno” si ricollega all’abilità dei metamateriali di deviare il raggio luminoso verso la direzione opposta a quella convenzionale. La figura qui accanto suggerisce come vedremmo una cannuccia immersa in un liquido con indice di rifrazione uguale e opposto a quello dell’acqua. Il principio di funzionamento è proprio questo: anziché essere deflesso di pochi gradi come avverrebbe in un materiale convenzionale (sinistra), un raggio luminoso viene deviato, all’interfaccia con il materiale, verso la direzione opposta a quella di provenienza. Il mantello dell’invisibilità non è quindi più solo una trovata dei libri fantasy.

Questa rivoluzionaria proprietà è dovuta ad una struttura composita: difatti, il singolo metamateriale è un insieme di elementi di dimensioni nanometriche (un milionesimo di millimetro) assemblati secondo specifiche composizioni e arrangiamenti. Ogni singolo elemento non manifesta indice di rifrazione negativo, che è invece una proprietà collettiva del sistema nella sua interezza.

Principio di funzionamento di un metamateriale (notare la somiglianza con la figura precedente) ed ingrandimenti dei nanoelementi costituenti il materiale. Takuo Tanaka, RIKEN Advanced Research Institute.

I materiali compositi appartengono alla classe dei materiali nanostrutturati: il campo delle nanotecnologie sfrutta l’insorgere di proprietà inaspettate – spesso anti-intuitive! – che si accompagna alla riduzione delle dimensioni di un oggetto.*

Tengo a precisare che l’invisibilità è solo l’applicazione più esotica ed accattivante di questa nuova generazione di materiali, le cui proprietà promettono straordinarie rivoluzioni nel campo dell’ottica, dalle lenti per fotocamere alla microscopia, alla trasmissione di dati (fibre ottiche senza perdite), all’immagazzinamento di dati in memorie incredibilmente capienti. Cliccate sulla foto precedente per avere una panoramica più dettagliata – ma non esattamente banale – di queste applicazioni.

Vi lascio con una riflessione: la meraviglia e l’ammirazione per questa favolosa invenzione verranno presto surclassate da infelici applicazioni in ambito militare?

La donna invisibile si prende una meritata pausa dalla lotta al crimine.

*Per intenderci, un nano-oggetto spesso non è solo un oggetto molto piccolo: è proprio un oggetto diverso che è anche molto piccolo. Bello eh? Questo amplia infinitamente il ventaglio di combinazioni “oggetto-proprietà” che è alla base della scienza dei materiali. Gli esempi sono veramente molteplici e meritano molto più di una semplice menzione in una postilla. Infatti, meritano dei post dedicati. Stay tuned.

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