Suoni e calore, la rivoluzione tecnologica corre sui fononi
18 novembre 2013
I progressi tecnologici che ci circondano oggi, dai computer portatili ad apparecchiature
diagnostiche come la risonanza magnetica, si basano sul controllo di due particelle: elettroni e
fotoni. Ma c’è una terza particella che potrebbe rivoluzionare in misura altrettanto grande la
nostra vita quotidiana: il fonone, il quanto di vibrazione meccanica dei mezzi materiali, che trasmette suoni e calore (red)
lescienze.it
Computer portatili e smart phone, fotocamere digitali e apparecchi diagnostici come la risonanza
magnetica o la tomografia a emissione di positroni: ovunque guardiamo, troviamo apparecchiature elettroniche che solo fino a pochi anni fa erano impensabili.
Tutti questi progressi si basano sulla possibilità di controllare in modo quasi assoluto il moto di
due tipi di particelle: gli elettroni, il cui flusso produce le correnti elettriche, e i fotoni, che
sono i quanti di luce. Ma c’è una terza particella che potrebbe influenzare la nostra vita in modo
altrettanto grande, e cioè il fonone, ovvero il quanto di vibrazione meccanica dei mezzi materiali,
che trasmette suoni e calore, a cui è dedicata una review sulla rivista Nature a firma di Martin
Maldovan, del dipartimento di Scienza e ingegneria dei materiali del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge, negli Stati Uniti.
La propagazione di suoni e calore può essere descritta in termini di vibrazioni meccaniche, che
vengono trasmesse attraverso il reticolo di atomi che costituisce la struttura microscopica di un
solido cristallino o più in generale di un mezzo elastico. La principale differenza tra i due
fenomeni è che la maggior parte delle onde sonore oscilla a frequenze basse, nel dominio del
chilohertz (1000 hertz), e si propaga su grandi distanze, mentre la maggior parte delle vibrazioni
calore oscilla a frequenze elevate, dell’ordine del terahertz (1000 miliardi di hertz), e viaggiano su brevi distanze.
Queste diverse caratteristiche portano scienziati e ingegneri a impiegare differenti strategie per
controllare la propagazione del suono e del calore. Grosso modo, per manipolare i suoni sono
sufficienti dispositivi macroscopici e materiali microstrutturati, mentre per il controllo del
calore è necessario sfruttare le potenzialità dei materiali nanostrutturati, cioè nel dominio del miliardesimo di metro, su scale atomiche.
A cavallo delle frequenze di oscillazione che caratterizzano suono e calore ci sono interessanti
prospettive di sviluppo tecnologico. Negli ultimi due decenni si è scoperto infatti che i cristalli
fononici artificiali, strutture in cui sono alternati due strati di materiali elastici differenti,
possono controllare in modo efficiente la propagazione delle onde sonore con frequenze tra il
chilohertz e il megahertz. Queste stesse strutture hanno dimostrato di essere estremamente utili
anche per controllare i suoni nel dominio degli ipersuoni, caratterizzati da frequenze al di sopra del gigahertz, e anche il calore.
Un’altra applicazione interessante sviluppata recentemente è il diodo acustico, che si comporta nei
confronti dei suoni come fanno i diodi elettronici nei confronti della corrente elettrica:
consentono il passaggio in una direzione ma non nella direzione opposta. Si tratta di un dispositivo
che troverebbe utili applicazioni nei dispositivi medicali, per esempio negli ecografi, perché
consentirebbero di ridurre notevolmente il rumore ambientale, i ricercatori si sono spinti anche
oltre, prima prevedendo per via teorica e poi realizzando in via prototipale un diodo termico, che consente il trasferimento unidirezionale del calore.
Il processo è in realtà più difficile da ottenere che nel caso dei diodi acustici, poiché il calore
è trasportato da un ampio spettro di fononi ad alta frequenza, che sono difficili da controllare.
Nonostante ciò, l’obiettivo è stato raggiunto, e i diodi termici sono stati sviluppati al punto da
riuscire a produrre gli analoghi termici di dispositivi elettronici, e cioè i transistor termici e le porte logiche termiche.
Un modo nuovo di controllare il trasporto del calore, in cui il suo flusso può essere gestito come
onde sonore, è stato recentemente sviluppato usando termo-cristalli, costituiti a livello
microscopico da strutture periodiche realizzate con leghe contenenti nanoparticelle. In questo caso
l’idea di base è manipolare lo spettro di frequenze in modo che i fononi a bassa frequenza veicolino
una parte considerevole del calore. In questo modo, i fononi che trasportano calore sono soggetti a
fenomeni di riflessione e di trasmissione in corrispondenza delle interfacce, rendendo possibile
l’applicazione alla gestione del flusso di calore, e molte applicazioni pensate per la gestione del flusso del suono anche alla gestione del flusso di calore.
Le tecniche più recenti per controllare la propagazione dei suoni sono alla base di un altro filone
di ricerca ai limiti della fantascienza: quello che riguarda il mantello dell’invisibilità.
Realizzato originariamente per l’invisibilità vera e propria, cioè nel campo dell’ottica, grazie
all’utilizzazione di metamateriali in grado di deviare in modo continuo la traiettoria della luce
lungo la sua superficie il mantello, ha trovato ora un analogo acustico: si tratta cioè di un rivestimento che rende impossibile rivelare un oggetto mediante le onde sonore.
Lo sviluppo di nuove idee per la gestione dei fononi, combinato con la capacità di progettare e
realizzare materiali compositi dalle scale macroscopiche a quelle nanometriche, rappresenta solo il
primo stadio di quella che si presenta come una vera rivoluzione tecnologica. Solo il tempo potrà
dire se le aspettative verranno mantenute e quali potranno essere le applicazioni che entreranno nella nostra vita quotidiana.
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