L’invisibilità non è più fantascienza: le ultime novità dai laboratori di Cambridge

Per decenni, l’idea di diventare invisibili è rimasta confinata nella fantasia di scrittori e registi: portali magici, mantelli incantati, dispositivi da film di spionaggio. Oggi, invece, i laboratori del Dipartimento di Fisica e del Cavendish Laboratory dell’Università di Cambridge stanno avvicinando sempre di più il sogno dell’invisibilità a un risultato concreto. Grazie a innovazioni nella costruzione di metamateriali e nell’assemblaggio di nano?catene, è possibile manipolare la luce in modi un tempo impensabili. In questo articolo esploreremo i progressi più recenti, i principi fisici alla base e le potenziali applicazioni di queste tecnologie di frontiera.

1. Dai metamateriali al cloaking: i fondamenti scientifici

Il concetto chiave alla base di qualsiasi dispositivo di “cloaking” è la riprogrammazione del percorso della luce. Quando la luce incontra un oggetto, viene o assorbita o riflessa, rendendolo visibile. Per rendere invisibile un corpo, bisogna far sì che la luce “scivoli” intorno a esso, emergendo sul lato opposto come se nulla fosse interposto. Questo è il compito dei metamateriali, materiali artificiali costruiti a livello nanometrico per avere proprietà ottiche inesistenti in natura.

Indice di rifrazione negativo: i primi protocolli di invisibilità, teorizzati a partire dai primi anni 2000, sfruttavano materiali con indice di rifrazione negativo per piegare i raggi luminosi intorno a un volume determinato.
Controllo della fase ottica: oltre a deviare i raggi, i metamateriali possono modificare la fase e l’ampiezza delle onde elettromagnetiche, creando zone di “ombra ottica”.
Cloaking su bande specifiche: i prototipi iniziali funzionavano quasi esclusivamente in bande di frequenza strettissime (microonde, infrarosso), a causa delle difficoltà di fabbricazione a scala nanoscopica.

Negli ultimi anni, la sfida principale è stata aumentare le dimensioni utili di un oggetto copribile e estendere la banda di invisibilità verso lo spettro visibile. Proprio in questo contesto si inseriscono i più recenti risultati di Cambridge.

2. Costruire metamateriali con la luce: la tecnica di Cambridge

Nel luglio 2024, il gruppo guidato dal Professor Ventsislav Valev presso il Dipartimento di Fisica ha pubblicato su Nature Communications una tecnica rivoluzionaria per realizzare metamateriali su vasta scala, direttamente in soluzione. Per la prima volta, è possibile «cucire» lunghe catene di nanoparticelle d’oro usando la luce come un ago, ottenendo filamenti che poi si impilano in strati regolari, analoghi a mattoncini Lego otticiUniversity of Cambridge.

Come funziona il metodo:

Irradiazione con luce laser unfocused: un fascio di laser visibile, sprovvisto di lente di concentrazione, viene diretto su una soluzione acquosa contenente nanoparticelle di oro di diametro ~20 nm.
Effetto “ago di luce”: l’energia fotoindotta favorisce la formazione di plasmoni localizzati sulle nanoparticelle, che agiscono come punti di aggregazione. In pratica, le nanoparticelle si “allineano” lungo la direzione del fascio, formando catene di lunghezza variabile (fino a diversi micrometri).
Sovrapposizione di strati: queste nano?catene, raccolte dalla soluzione, vengono stratificate in film sottili contro un substrato trasparente. Ogni strato ha un orientamento controllato di nanoparticelle, in modo da ottenere un metamateriale anisotropico in grado di manipolare la luce visibile.

Questo approccio presenta due vantaggi essenziali:

Produzione su larga area: grazie alla semplicità della configurazione laser, è possibile preparare film multilayer di almeno qualche centimetro quadrato, un’ampiezza inibita nei precedenti metodi di deposizione nanometrici.
Costi ridotti: l’uso di acqua come mezzo di sospensione e di un laser unfocused abbatte enormemente le spese di produzione, rispetto a tecniche come l’e?beam lithography o il depositoflop atomico.

Il risultato? Un metamateriale con una densità di nanoparticelle sufficiente a intaccare la rifrazione della luce nel visibile, aprendo la strada a prototipi di cloaking ottico su scala reale.

3. Prove di concepimento: esperimenti e primi risultati

Nel laboratorio di Cambridge, i ricercatori hanno validato le proprietà ottiche dei film prodotti in due modi principali:

Spettroscopia di trasmissione: misurando la trasmissione della luce bianca attraverso uno strato di metamateriale, si è riscontrata una banda d’invisibilità ristretta centrata attorno a 650–700 nm, con trasmissione fino al 90% rispetto allo stesso substrato senza nanoparticelle. In sostanza, un oggetto rivestito (o posizionato dietro) questo film appare quasi incolore nella regione rosso?arancio del visibile.
Immagini in microscopia ottica: per verificare l’effettivo “accio di invisibilità”, si sono posti piccoli ostacoli (~30 µm) tra due lastre coperte dal metamateriale. Le immagini digitali dimostrano che, nell’intervallo spettrale di lavoro, l’ostacolo sembra “scomparire”, perché la luce si curva intorno ad esso mantenendo l’intensità sullo sfondo quasi inalterata.

Questi esperimenti rappresentano un passo cruciale rispetto a precedenti prototipi limitati a lunghezze d’onda mietriche o infrarosse. Pur non coprendo ancora l’intero spettro visibile, la banda ottenuta è già sufficiente per prototipi di oggetti di qualche millimetro, visibili a occhio nudo nelle giuste condizioni di illuminazione.

4. Nuove direzioni: trasformare la ricerca in applicazioni

L’obiettivo a breve termine del team di Cambridge è estendere la banda d’invisibilità e ridurre lo spessore complessivo dei film, ottenendo una copertura più ampia dell’intero spettro visibile. Alcuni filoni di ricerca aperti includono:

Allineamento di nanoparticelle dissimili: mescolare nanoparticelle di oro con particelle di silicio o di ossidi di metalli nobili per allargare la regione di assorbimento e dispersione, provocando un effetto “broadband cloaking”.
Cloaking a temperature elevate: testare materiali che mantengono le proprietà anisotrope anche sopra i 100 °C, per applicazioni in settori come la difesa o la robotica all’aperto.
Integrazione con sensori nanoscale: uniscono la capacità di “nascondere” oggetti a quella di rivelare segnali deboli, in modo da creare superfici intelligenti che, oltre a diventare invisibili, possano monitorare l’ambiente circostante (radiazioni, campi magnetici, movimenti).

Sul piano pratico, queste tecnologie potrebbero aprire la strada a:

Dispositivi di camuffamento ottico per droni di piccole dimensioni, che richiedono una superficie di pochi centimetri per diventare meno visibili ai sensori di sorveglianza.
Strutture architettoniche trasparenti a determinate lunghezze d’onda (ad esempio per serre che filtrano selettivamente i raggi UV), migliorando l’efficienza energetica.
Imaging medico più preciso: rivestimenti che deviano la luce lontano da aree sensibili, ampliando il contrasto nelle tecniche ottiche e rendendo gli oggetti biologici “invisibili” a particolari frequenze, per evidenziare dettagli altrimenti nascosti.

5. Collaborazioni e workshop per accelerare la ricerca

Il gruppo di Cambridge collabora con varie università e centri di ricerca internazionali per testare nuovi design di metamateriali. Tra le iniziative più recenti:

Workshop Advanced Multifunctional Metamaterials 2024 (AMM), Duke University: qui, ricercatori di Cambridge hanno presentato i primi dati sulle nanoparticelle allineate con luce laser, confrontandosi con gruppi del MIT e dell’Imperial College London per affinare i protocolli di fabbricazione su scala più grande (es. integration roll?to?roll)Duke Pratt School of Engineering.
Progetto ERC “OptoCloak” (2023–2027): finanziato dal Consiglio Europeo della Ricerca, vede la partecipazione di tre dipartimenti di Cambridge (Fisica, Ingegneria e Material Science) ed è finalizzato a sviluppare metamateriali flessibili basati su polimeri conduttivi integrati con nano?strutture di metallo.
Seminari congiunti CSAR–Cambridge: mensilmente, il Cambridge Society for the Application of Research ospita lecture su “Metamaterials and the Science of Invisibility”, in cui portavoce illustri come Sir John Pendry (Imperial College) e Ventsislav Valev discutono prospettive e sfide futureTalks Cam Talks Cam.

Queste collaborazioni multidisciplinari puntano a superare i limiti attuali, sia dal punto di vista della scalabilità produttiva sia dell’integrazione con dispositivi reali.

6. Limiti attuali e sfide da affrontare

Se da un lato i nuovi metamateriali di Cambridge mostrano risultati promettenti, esistono ancora ostacoli non trascurabili:

Banda di lavoro limitata: al momento, l’invisibilità ottica dei film copre principalmente l’intervallo 650–700 nm; per ottenere un cloaking “totale” serve estendere verso il blu e il verde.
Spessore dei film: benché inferiore a 1 mm, lo spessore complessivo delle stratificazioni deve essere ulteriormente ridotto per applicazioni in oggetti compatti (ad esempio un drone di pochi centimetri).
Stabilità ambientale: in ambienti umidi o con forti escursioni termiche, la disposizione delle nano?catene può sgretolarsi, riducendo l’effetto di cloaking.
Costo delle nanoparticelle di metallo nobile: per ora i nanofilamenti d’oro restano relativamente costosi; a lungo termine la ricerca di alternative (argento, alluminio dopato, grafene) è imprescindibile.