16:58 24 Novembre 2020
Scienza e tech
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Nel corso della storia dell'umanità, lo sviluppo di nuovi materiali ha avuto un impatto fondamentale sullo sviluppo della civiltà. Pietra, bronzo e ferro hanno dato nomi a intere epoche.

Negli anni '20 e '30 iniziò l'era dei polimeri e da allora è impossibile immaginare la nostra vita senza plastica e gomme. Diversi decenni dopo, il silicio è venuto alla ribalta, il che ha dato impulso allo sviluppo moderno dell'elettronica e delle tecnologie digitali. Oggi gli scienziati stanno passando alla creazione di materiali avanzati con proprietà che non si trovano in natura. I ricercatori delle università russe, membri del Progetto 5-100, hanno parlato degli ultimi risultati scientifici in questo settore.

Materiali con proprietà 'impossibili'

In molti laboratori in tutto il mondo, i ricercatori stanno lavorando alla creazione di ‘metamateriali’ le cui proprietà vanno oltre le proprietà dei loro componenti costitutivi. Da un punto di vista fisico, sono strutture formate artificialmente e appositamente costruite che hanno proprietà elettromagnetiche o ottiche irraggiungibili in natura.

In futuro, nuovi materiali consentiranno di ottenere l'invisibilità, creare caricabatterie wireless universali e sistemi per memorizzare enormi quantità di informazioni e controllare le proprietà dei superconduttori.

L'invisibilità, così popolare nelle opere degli scrittori di fantascienza, può riferirsi non solo alle proprietà ottiche degli oggetti. Il rumore da cui siamo protetti è invisibile, così come gli shock fisici che non sentiamo. I materiali moderni consentono di ottenere "invisibilità" per proteggere soldati, veicoli e altro ancora.

Nel 2020 Forbes ha riferito che l'US Army Research Laboratory (ARL) sta finanziando la ricerca per creare metamateriali in grado di incanalare l'energia delle onde meccaniche attorno agli oggetti, proteggendoli da esplosioni, onde d'urto, terremoti o vibrazioni. Tali sviluppi potrebbero rendere un sottomarino o un ponte ‘invisibile’ all'energia meccanica.

Copertura invisibile

Scienziati russi hanno scoperto come creare un rivestimento invisibile piatto in grado di nascondere qualsiasi oggetto allungato (antenne di aerei, alberi di navi) da radar e altri sistemi di rilevamento. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Scientific Reports.

"Abbiamo creato uno speciale rivestimento basato su un dispersore a dipolo magnetico ideale, che trasforma un oggetto metallico allungato con una risposta elettrica in un oggetto con una risposta magnetica. Di conseguenza, un tale oggetto diventa invisibile", ha detto Alexei Basharin, uno degli autori del lavoro, dipendente della NUST MISIS di Mosca (National University of Science and Technology).

Per la realizzazione, gli scienziati hanno selezionato una simile struttura di metamateriale "piatto", che quasi non interagisce con le onde elettromagnetiche su di essa "facendole passare" attraverso se stesso.

Il materiale è una raccolta di nanoparticelle metalliche e dielettriche, disposte secondo uno schema ripetitivo. Questo "modello" è organizzato in modo tale che l'oggetto da esso nascosto cessi di interagire con la componente elettrica della luce e non la disperda. Ciò evita la comparsa di effetti che tradiscono l'esistenza di un oggetto "invisibile", oltre a isolare idealmente vari emettitori, ad esempio antenne satellitari poste l'una vicino all'altra.

Nel prossimo futuro, gli scienziati prevedono di creare una versione migliorata del rivestimento, che interagirà non solo con la componente elettrica delle onde elettromagnetiche, ma anche con la loro componente magnetica. La creazione sperimentale di tali strutture, secondo Alexei Basharin, sarà un grande passo verso la creazione dell'invisibilità ideale.

Trasferimento di energia attraverso l'aria

Gli scienziati dell'Università delle Ricerche ITMO di San Pietroburgo, hanno sviluppato un metamateriale grazie al quale l'energia può essere trasmessa attraverso l'aria a più frequenze contemporaneamente, che consente di creare caricabatterie wireless universali. Il nuovo materiale può funzionare con diversi tipi di ricevitori wireless o trasmettitori di elettricità allo stesso tempo. Si tratta di un insieme di molti conduttori disposti in uno schema speciale e collegati tra loro da condensatori.

"Il nostro materiale ha molte proprietà uniche, tra cui la dispersione della frequenza inversa e diverse frequenze risonanti con un campo magnetico uniforme, grazie alle quali l'energia può essere trasmessa attraverso l'aria", ha spiegato Polina Kapitanova, ricercatrice presso l'Università ITMO.

Gli scienziati hanno già creato un prototipo di un nuovo caricatore universale. Hanno testato il suo funzionamento collegando diversi LED a diversi tipi di ricevitori di elettricità wireless e posizionandoli sopra un tavolo su cui giaceva il metamateriale. Il caricabatterie ha trasmesso l'energia in modo stabile fornendola a tutti i dispositivi collegati. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Applied Physics Letters.

Controllo della superconduttività

Nel 2020, un risultato scientifico ha causato una diffusa risonanza con l'annuncio della creazione del primo superconduttore attivo a temperatura ambiente. Questo tipo di tecnologia, secondo gli autori, eliminerà l'uso delle batterie elettriche.

I superconduttori sono materiali che possono condurre l'elettricità senza resistenza. La superconduttività è una delle scoperte più importanti del XX secolo. Esistono prototipi di computer quantistici che utilizzano elementi superconduttori per memorizzare le informazioni. I superconduttori vengono utilizzati anche per creare un potente campo magnetico, ad esempio, nel progetto dell'International Experimental Thermonuclear Reactor ITER.

Gli scienziati della Tomsk Polytechnic University (TPU) hanno proposto un nuovo strumento per modificare e controllare le proprietà dei materiali superconduttori modificando la geometria del materiale, piegandolo in un tubo sottile. Prima di questo, il modo tradizionale di controllare le proprietà era l'introduzione di impurità nel materiale.

Durante la simulazione, i ricercatori hanno scoperto un effetto interessante: sotto l'azione di una corrente elettrica in una forma piegata, il materiale (niobio) cambia la configurazione delle correnti superconduttive circolanti. Di conseguenza, il materiale ha contemporaneamente aree conduttive e non conduttive e questi stati possono essere influenzati modificando i parametri del campo magnetico. In futuro, questa scoperta consentirà di controllare le proprietà dei superconduttori.

Come notano gli autori dell'articolo pubblicato sulla rivista Communications Physics, se le proprietà superconduttrici del niobio in una struttura planare sono già ben studiate, le proprietà di materiali posti in geometria diversa, ad esempio arrotolati in un tubo, non lo sono ancora abbastanza e non esistono ancora strumenti adatti a prevedere il loro comportamento in tali geometrie. I ricercatori hanno quindi proposto modelli per la previsione di proprietà simili in altri materiali che potrebbero rivelarsi altrettanto promettenti.

Pellicole nanostrutturate economiche

Un altro materiale moderno sono le pellicole metalliche con una struttura ordinata su nanoscala. Questi sottili film possiedono proprietà uniche che consentono agli scienziati di controllare i campi magnetici e di rimmagnetizzare le pellicole. Ciò consente di creare sistemi per la registrazione e l'archiviazione affidabile di enormi quantità di informazioni o sensori di nanoparticelle magnetiche, con l'aiuto dei quali è possibile monitorare per esempio lo stato del sangue di un paziente, la concentrazione di particelle in esso contenute, la velocità di rilascio e l'assimilazione di un determinato farmaco nel corpo.

La creazione di una serie ordinata di fori su nanoscala con lo stesso diametro su una vasta area è un compito complesso e costoso, almeno se viene risolto direttamente creando fori in una pellicola continua. Scienziati dell'Università Federale degli Urali (UrFU) hanno intrapreso un percorso diverso e meno costoso e hanno suggerito di utilizzare l'effetto dell'autoassemblaggio o dell'auto-organizzazione.

Questo effetto consiste nell'applicazione della tecnologia di anodizzazione dell'alluminio per ottenere superfici porose con una leggera modifica, che permette di ottenere fori con un diametro ben controllato, disposti in un reticolo esagonale. Lo strato di alluminio anodizzato è costituito da un materiale molto duro con la formula chimica Al2O3, che allo stato cristallino è noto come corindone o zaffiro. Come risultato del processo di auto-organizzazione dei pori, si ottiene una superficie che ricorda un favo, ridotta di circa un milione di volte.

Un quarto di secolo fa è stato sviluppato un substrato in alluminio con pori regolarizzati. Negli ultimi anni è stato utilizzato come base per la deposizione di pellicole, anche magnetiche, e come modello per la crescita di nanofili metallici.

I fisici dell'Università Federale degli Urali, insieme ai ricercatori dell'Istituto di Scienza dei Materiali di Madrid (Spagna), utilizzando un metodo ben noto, hanno ottenuto un film TbCo amorfo unico con anisotropia magnetica perpendicolare. I risultati del lavoro sono presentati sulla rivista Nanotechnology.

"Questo materiale è insolito in quanto contiene due sottoreticoli magnetici, i cui momenti magnetici sono diretti in direzioni opposte. Per alcune composizioni del film, quando viene riscaldato o raffreddato, le sue proprietà magnetiche cambieranno in modo significativo. Questa proprietà può essere particolarmente utile quando si creano supporti per la registrazione magnetica di informazioni", ha affermato Nikita Kulesh, ricercatore senior presso il Dipartimento di magnetismo a stato solido dell’UrFU.

Il film magnetico con fori su nanoscala è interessante in quanto consente di superare il cosiddetto limite superparamagnetico - quando la dimensione di un bit diventa così piccola che l'energia delle vibrazioni termiche inizia a prevalere sull'energia dell'anisotropia magnetica, hanno detto gli scienziati.

Al momento, UrFU ha implementato un ciclo completo di creazione di campioni di film nano-perforati di diverse composizioni di rivestimento. Ciò include la sintesi elettrochimica di substrati di alluminio anodizzato poroso con diversi diametri dei fori su nanoscala, deposizione di rivestimenti di film con controllo preciso della composizione e dello spessore e apparecchiature per lo studio dei campioni ottenuti.

Il progetto "5-100", implementato nell'ambito del progetto nazionale "Educazione", è concepito per contribuire a sviluppare il potenziale di ricerca delle università russe e rafforzare la loro posizione competitiva nel mercato globale dei servizi educativi.

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