Nuovo metamaterial devia le vibrazioni su percorsi ordinati

– Ricercatori hanno sviluppato un principio di design per realizzare pattern complessi su chip di silicio mediante microfabbricazione.
– Grazie a questi pattern, le oscillazioni seguono percorsi predeterminati.
– Un materiale strutturato in questo modo potrebbe estrarre energia dalle vibrazioni o elaborare segnali senza alimentazione.

Ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno strutturato una membrana di silicio ultrasottile in modo tale da dirigere onde meccaniche lungo percorsi specifici. Tali strutture offrono interessanti possibilità di trasformare vibrazioni indesiderate in energia utilizzabile o di elaborare segnali meccanici.

Metamateriali – il termine può sembrare esoterico ai non addetti ai lavori. Per la scienza, tuttavia, rappresenta un campo di ricerca interessante, che si è sviluppato rapidamente soprattutto dagli anni '90.

Per l'occhio nudo, un metamateriale sembra un materiale normale. Su scale più piccole, invece, ha una struttura straordinaria. Questo gli conferisce proprietà meccaniche speciali che il materiale di partenza non possiede.

Questi materiali artificialmente progettati sono, ad esempio, molto leggeri, rigidi, altamente deformabili o capaci di smorzare urti e vibrazioni. Le applicazioni vanno dalle suole delle scarpe (come riportato da ETH-News) e caschi fino alla microelettronica.

Proprietà speciale grazie a microstrutture specifiche

Uno degli esperti che si occupa intensamente di metamateriali è Dennis Kochmann, professore di Meccanica e Ricerca sui Materiali all'ETH di Zurigo. «È affascinante come si possa ottenere da un materiale qualcosa che senza questa struttura non avrebbe», afferma.

Recentemente, Kochmann e i suoi collaboratori hanno presentato in due pubblicazioni scientifiche un nuovo tipo di metamaterial chiamato metamateriale fononico, un materiale in grado di controllare in modo mirato onde meccaniche – vibrazioni o segnali acustici.

Un tale metamateriale potrebbe essere utilizzato, ad esempio, per estrarre energia dalle vibrazioni o per elaborare segnali esclusivamente meccanici, cosa interessante per sensori e computer meccanici senza alimentazione elettrica.

Membrana di silicio ultrasottile come guida d'onda

Se si induce una lastra di metallo a vibrare – ad esempio con colpi di martello – le vibrazioni si propagano generalmente in modo circolare, come le onde nell'acqua. Ma se questa lastra ha una struttura speciale, può deviare le onde lungo percorsi specifici. È proprio questo effetto che hanno sfruttato i ricercatori dell'ETH.

Invece della lastra di metallo, utilizzano una membrana di silicio estremamente sottile, sulla quale i ricercatori hanno inciso con tecniche di fotolitografia e incisione numerosi fori, formando un pattern specifico.

Un pattern composto da milioni di elementi

Il pattern è costituito da milioni di elementi quadrati ripetuti – quadrati minuscoli suddivisi in quattro quadrati più piccoli, disposti a croce. Al centro del quadrato principale si trova una stella a quattro bracci.

Queste celle elementari non sono identiche in tutto il pattern, come in molti altri metamateriali, ma cambiano gradualmente, variando la lunghezza dei bracci della stella.

Per generare questi pattern, i ricercatori dell'ETH hanno utilizzato modelli computazionali specifici. Simulavano come una vibrazione incidente sul pattern si propagasse in raggi.

«Se si volesse simulare l'intero campo di onde in modo classico, sarebbe estremamente dispendioso in termini di calcolo, perché lo spazio di progettazione con milioni di gradi di libertà è enorme», spiega l'ex collaboratore di Kochmann, Charles Dorn. Era responsabile delle simulazioni e ora lavora come assistente professore all'Università di Washington.

Puzzle di altissimo livello

«Il design del nostro metamateriale è modulare come un puzzle», afferma Kochmann. Le diverse parti del puzzle assumono funzioni specifiche, come deviare raggi di luce a angolo retto o dividere onde in diverse direzioni in base alla loro frequenza. Combinando abilmente i pezzi, i ricercatori possono generare percorsi complessi di onde, come ad esempio un otto orizzontale.

Prodotto in ambienti di cleanroom su supporti di silicio

In un ulteriore passo, i ricercatori hanno realizzato le strutture calcolate in ambienti di cleanroom presso il Binnig and Rohrer Nanotechnology Center dell'ETH e di IBM, con grande precisione. Per farlo, hanno utilizzato un supporto di silicio convenzionale. In più fasi, hanno prodotto una membrana di silicio strutturata esattamente come il pattern simulato, con centinaia di migliaia di celle elementari di pochi micrometri, quasi invisibili a occhio nudo.

Infine, i ricercatori hanno verificato sperimentalmente le membrane prodotte. Con impulsi laser, hanno indotto vibrazioni nella membrana di silicio. Con una tecnica di misurazione ottica, hanno seguito in tempo reale la propagazione delle vibrazioni.

In questo modo, Kochmann e i suoi collaboratori hanno confermato che le onde seguivano effettivamente i percorsi predeterminati, anche su lunghi intervalli di tempo.

Le strutture funzionano non solo a una singola frequenza di vibrazione: anche se i ricercatori hanno progettato il sistema per 750 kilohertz (750.000 oscillazioni al secondo), funziona anche tra circa 250 e 800 kilohertz. «Questa ampia banda di frequenze non era stata pianificata, ci ha positivamente sorpreso», afferma Vignesh Kannan, coautore dello studio pubblicato sulla rivista Nature Communications.

Poiché il silicio, come materiale di partenza, ha naturalmente una bassa attenuazione, le onde possono propagarsi a lungo. Questo rappresenta un grande vantaggio rispetto a strutture di stampa 3D polimeriche, la cui attenuazione sopprime rapidamente le vibrazioni, spiega Kannan, che ora è assistente professore presso l'École Polytechnique di Parigi.

Estrazione di energia dalle vibrazioni

La nuova membrana di silicio potrebbe essere impiegata nella micro e nanoelettronica, ad esempio per controllare meglio le vibrazioni sui chip. È interessante anche come metamateriale fononico per l'elaborazione meccanica di segnali senza energia elettrica, ad esempio in sensori per il monitoraggio di infrastrutture in zone remote. A lungo termine, potrebbe essere utilizzato anche per architetture di computer innovative.

Kochmann pensa anche a dispositivi di Energy Harvesting – strumenti che indirizzano intenzionalmente l'energia delle vibrazioni verso trasduttori piezoelettrici per ottenere energia utilizzabile.

Nei passaggi successivi, lui e i suoi partner intendono continuare a miniaturizzare ulteriormente, fino ai limiti della fattibilità, dove eventuali errori di produzione nelle micro o nano strutture potrebbero influire.

«Vogliamo anche comprendere meglio la fisica dietro a tutto questo. Finora, non è ancora del tutto chiaro perché il design funzioni così robustamente su vaste gamme di frequenza», afferma Kochmann.

Per lui, la ricerca di base è prioritaria, poiché alcuni dei fenomeni sottostanti sono ancora enigmi. Le applicazioni si sviluppano spesso automaticamente, spiega lo scienziato. «Quello che rende bella questa esperienza all'ETH è che possiamo sperimentare e studiare le basi senza pressioni commerciali.»

Riferimenti bibliografici

Kannan V, Dorn C, Drechsler U, Kochmann DM: Microscale Architected Materials for Elastic Waveguiding: Fabrication and Dynamic Characterization across Length and Time Scales. Physical Review X 2026, 16: 011047, DOI: esterna pagina 10.1103/21w4-zn1s
Dorn C, Kannan V, Drechsler U et al.: Graded phononic metamaterials based on scalable microfabrication and design. Nature Communication 2026, 17: 3192, DOI: esterna pagina 10.1038/s41467-026-69888