metamateriale

metamateriale

s. m. – Materiale composito artificiale la cui microstruttura è progettata per conferire proprietà fisiche speciali (elettromagnetiche, acustiche, meccaniche), normalmente non riscontrate nei materiali naturali e, in particolare, non presenti nei singoli materiali che lo costituiscono. Elementi essenziali di un m. sono la sua natura composita (è cioè costituito da più materiali assemblati su scala microscopica) e il fatto che le sue proprietà si originano non dalle caratteristiche degli atomi che lo compongono, ma da quelle di unità costitutive più grandi (dette celle o blocchi unitari o, anche, metaatomi), generalmente assemblate secondo una certa periodicità spaziale, la cui struttura e dimensione sono appositamente progettate. Dal punto di vista chimico, i m. possono essere di natura inorganica od organica. I più studiati sono quelli di tipo elettromagnetico, che manifestano proprietà inusuali di risposta a una radiazione, legate ai particolari valori di costante dielettrica, permeabilità magnetica e indice di rifrazione. Queste proprietà si evidenziano quando la dimensione delle celle è significativamente inferiore alla lunghezza d'onda l (generalmente, inferiore a l/4) della radiazione. La condizione che la cella sia di dimensioni molto minori della lunghezza d’onda di operazione dipende dal fatto che la radiazione valuta la risposta del materiale operando una media su un volume che ha dimensioni dell’ordine di l3. Mentre questo è relativamente 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, con conseguenti maggiori difficoltà di fabbricazione. Le moderne nanotecnologie hanno permesso solo in anni recenti la produzione di m. operanti in questi intervalli di radiazione elettromagnetica. Tra i m. elettromagnetici, particolarmente importanti sono quelli indicati con la sigla NIM (Negative index materials), caratterizzati da indice di rifrazione negativo; vengono anche detti LHM (Left-handed materials, «materiali sinistrorsi»), perché la terna formata dai vettori campo elettrico, campo magnetico e vettore di propagazione dell’onda elettromagnetica al loro interno non è destrorsa ma sinistrorsa. Come conseguenza di queste proprietà, i NIM mostrano una serie di comportamenti anomali (per es., l'effetto Doppler e l'effetto Čerenkov sono invertiti) e offrono una flessibilità senza precedenti nella possibilità di manipolare le onde elettromagnetiche e di produrre nuove funzionalità quali, per es., la capacità di costruire sistemi ottici (superlenti) con potere risolutivo molto inferiore alla lunghezza d’onda (superrisoluzione) e di rendere invisibili oggetti macroscopici. Lo studio dei m. elettromagnetici, che è ancora nella sua fase iniziale (le prime realizzazioni risalgono al 2000), offre possibilità di grande interesse per nuove applicazioni in diverse aree, come le immagini mediche, la produzione di nuove lenti e antenne per radar, le applicazioni ai sistemi di telecomunicazione e così via.