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I metamateriali acustici sono mesostrutture (di una scala tra il microscopico e il macroscopico) in grado di controllare, manipolare e indirizzare le onde sonore modificandone le caratteristiche di fondo. Negli ultimi anni i progressi compiuti nell’ambito di queste strutture hanno dato vita ai cosiddetti materiali fotonici, capaci di plasmare attivamente il flusso delle onde sonore in modi altamente specifici.
Ad esempio, i materiali fotonici che offrono una rifrazione pari allo zero o persino negativa possono controllare il suono sulla scala sotto la lunghezza d’onda, permettendo così il controllo preciso del campo sonoro e dell’energia acustica.
Ciò fornisce un ventaglio di possibilità pratiche, comprese tecnologie quale la mimetizzazione acustica. Inoltre, mette a disposizione uno strumento per studiare la meccanica quantistica, approfondendo le conoscenze relative alle proprietà fisiche di fondo delle onde sonore.
«Il nostro intento era scoprire proprietà interamente nuove nella fisica delle onde sonore», spiega Johan Christensen, borsista presso l’Università Carlos III di Madrid. «L’altro fattore motivante era rappresentato dal miglioramento di determinati aspetti tecnologici dell’acustica nella vita quotidiana», osserva.
Questi due filoni hanno costituito la spina dorsale del progetto PHONOMETA, finanziato dall’UE e sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca. «Ciò implica osservare da molto vicino la meccanica quantistica e, utilizzando alcune delle conoscenze acquisite da questo ambito, tentare di trasferirle all’acustica», aggiunge Christensen, che ha ricoperto il ruolo di coordinatore del progetto PHONOMETA.
Immergersi nella fisica teorica
Il progetto PHONOMETA ha creato una classe di materiali artificiali noti come sistemi simmetrici a parità di tempo. La simmetria a parità di tempo costituisce un concetto importante della meccanica quantistica, secondo cui un sistema si evolverebbe esattamente nello stesso modo sia che il tempo scorresse in avanti che indietro, trasformandosi al contempo nella sua immagine speculare.
Nell’ambito dell’acustica, i sistemi simmetrici a parità di tempo sono materiali artificiali contenenti unità di guadagno, che amplificano le onde sonore, e unità di perdita, che riducono l’ampiezza d’onda.
«È la combinazione di questi due elementi, un concetto preso in prestito dalla meccanica quantistica, che sfocia nelle caratteristiche di propagazione delle onde fortemente insolite per le onde sonore», spiega Christensen.
Le unità di perdita sono facili da produrre nell’acustica: qualsiasi spugna o materiale simile alla schiuma fa sì che il suono perda energia. Tuttavia, la componente del guadagno è difficile da produrre, sottolinea Christensen. Nell’ottica, si potrebbe utilizzare un laser per farlo, ma nel caso dell’acustica, questo tipo di tecnologia non esiste.
In principio, il progetto PHONOMETA intendeva impiegare i semiconduttori piezoelettrici, ovvero materiali che provocano una sorta di guadagno acustico quando sono soggetti a un campo elettrico.
Nel corso delle fasi successive, il gruppo ha scoperto che le pellicole di nanotubi di carbonio si dimostravano candidati migliori. Queste pellicole, realizzate da una pila di fogli di grafene, possiedono proprietà elettriche, meccaniche e ottiche straordinarie, offrendo livelli superiori di controllo. Christensen e il suo gruppo hanno utilizzato questi materiali quale componente di guadagno nei sistemi simmetrici a parità di tempo che hanno realizzato.
Un mantello di inudibilità
Uno dei contributi principali del progetto consisteva nello sfruttamento delle proprietà antiriflesso in questi nuovi materiali. In prossimità di una determinata soglia, quando si accentua il contrasto tra perdita e guadagno, il materiale sembra acusticamente trasparente, non genera eco ed è effettivamente reso invisibile. Il gruppo si è occupato di evolvere tale concetto per creare un mantello di invisibilità.
«Per secoli le persone hanno sognato di disporre di un mantello di invisibilità che le rendesse impercettibili all’occhio nudo una volta indossato», osserva Christensen. Nell’ottica, ciò significherebbe sopprimere non solo la luce riflessa da un oggetto, ma anche l’ombra dietro di esso per farlo scomparire del tutto.
Il gruppo è riuscito a fare lo stesso dal punto di vista acustico, nascondendo un oggetto delle dimensioni di un frigorifero. «Il guadagno e la perdita acustica si combinano per produrre un riflesso pari a zero e attutire l’effetto dell’ombra acustica», dichiara Christensen. Questa tecnologia, se sviluppata ulteriormente, potrebbe risultare utile per fornire una tecnologia Stealth nettamente migliore destinata a oggetti di maggiori dimensioni,come i sottomarini.