Metalenti, addio al vetro: ecco come cambieranno telescopi e smartphone

ATTUALITA’ – Pensate al telescopio messo a punto da Galileo Galilei. Le sue lenti in vetro hanno permesso allo scienziato di osservare per la prima volta le lune di Giove. Pensate poi al microscopio di Antonie van Leeuwenhoek, con cui i microbi e i batteri sono stati visti nella loro forma per la prima volta. Pensate poi oggi agli smartphone e ai visori per la realtà aumentata, con la tecnologia ottica che avanza sempre più rapidamente. Questi oggetti però hanno un limite: le lenti in vetro sono ingombranti e pesanti, oltre che costose da realizzare.

E se al posto delle lenti in vetro fosse possibile realizzare questi oggetti con lenti sottili, trasparenti ed economiche? La risposta arriva dal gruppo di ricercatori guidato da Federico Capasso nei laboratori del dipartimento di Ingegneria e scienze applicate della Harvard John A. Paulson School, che con la progettazione di nuove metalenti si è aggiudicato un posto nella top ten delle Breakthrough of the Year 2016 della rivista Science, su cui lo scorso giugno lo studio di Capasso e colleghi era stato pubblicato.

Il gruppo di Harvard è infatti riuscito a sviluppare metalenti, cioè lenti più sottili di un foglio di carta e molto molto più leggere di quelle in vetro, che sono in grado di focalizzare tutto lo spettro della luce visibile, al contrario delle metalenti fino a quel momento a disposizione degli scienziati, che funzionavano solo nello spettro dell’infrarosso e per le onde a lunghe frequenze.

Le nuove metalenti in biossido di titanio sono realizzate con strutture interne nell’ordine dei nanometri e permettono il passaggio delle onde luminose, sono cioè trasparenti alla luce visibile e permettono di raggiungere i 170 ingrandimenti. A rendere la scoperta ancora più interessante sono il metodo e il costo di produzione. Gli scienziati infatti hanno utilizzato una tecnica, chiamata deposito di strato atomico, che viene già utilizzata per realizzare microprocessori e microchip su larga scala e che permette di realizzare le metalenti con costi limitati.

Un risultato che apre a un mondo completamente inesplorato, quello della metaottica, promettendo applicazioni che vanno dalla realizzazione di nuovi telescopi e microscopi alla progettazione di smartphone ancora più sottili e tecnologie ottiche indossabili, come per esempio i visori per la realtà aumentata, ancora più leggeri e pratici.

Come nascono le metalenti?

La prima apparizione delle metalenti risale allo scorso giugno 2016, quando Federico Capasso e colleghi hanno pubblicato il frutto del loro studio sulla rivista Science. I ricercatori hanno annunciato di aver progettato e realizzato le prime lenti planari ad alta efficienza in tutto lo spettro della luce visibile.

Per poter focalizzare l’intero spettro visibile, dalla luce rossa a quella verde e blu, i ricercatori avevano bisogno di un materiale che non assorbisse né disperdesse la luce, come ha spiegato in un comunicato Rob Devlin, studente e co-autore dello studio: “Avevamo bisogno di un materiale che fosse in grado di confinare la luce con un alto indice rifrattivo. E perché questa tecnologia fosse riproducibile su larga scala, avevamo bisogno di materiali e tecniche che vengono già impiegate comunemente nelle industrie”.

Per questo motivo gli autori dello studio hanno scelto il biossido di titanio, un materiale che si trova in qualsiasi oggetto, dalle vernici ai cosmetici, per creare una struttura in cui sono schierate nanostrutture metalliche che formano il cuore stesso delle metalenti. Mohammadreza Khorasaninejad, uno degli autori, ha sottolineato poi l’importanza di ottenere una lente piana, al contrario delle tradizionali lenti ottiche che sono ricurve: “Volevamo progettare una singola lente planare con un grande numero di aperture,  in modo che potesse focalizzare la luce in uno spazio più stretto della dimensione di una lunghezza d’onda. Questo perché più è stretto il punto in cui puoi focalizzare la luce, più è alta la risoluzione dell’immagine”.

Proprio da questa esigenza sono nate le metalenti in biossido di titanio la cui nanostruttura è organizzata secondo degli schieramenti di materiale, cioè da piccoli pilastri e anelli alti appena 600 nanometri, che sono organizzati insieme in modo da manipolare le onde luminose che vi passano attraverso. Il biossido di titanio ha permesso così di realizzare lenti planari trasparenti alla luce del visibile e che superano, nella produzione, il limite delle lenti ottiche in vetro. “Le normali lenti devono essere lucidate a mano per ottenere i risultati desiderati in termini di performance“, ha spiegato in un comunicato Wei ting Chen, co-autore dello studio. “Ogni tipo di deviazione nella curvatura, ogni errore durante l’assemblaggio compromette la buona riuscita della singola lente. Le nostre lenti invece possono essere prodotte con un solo passaggio: un solo strato di litografia e si ottiene una lente ad alta performance che dispone di tutto quello di cui abbiamo bisogno”.

Metalenti, come cambieranno telescopi e smartphone?

Le metalenti, così come sono state brevettate dagli scienziati, porteranno ad una vera e propria innovazione nel mondo dell’ottica. Gli effetti di questa tecnologia rivoluzionaria si vedranno non solo nel campo scientifico, ma anche nella tecnologia che usiamo quotidianamente. “Questa tecnologia è rivoluzionaria perché lavora nello spettro del visibile”, ha sottolineato Capasso. “E questo implica che ha la capacità di rimpiazzare le lenti di tutti i tipi di dispositivi ottici che conosciamo, sia scientifici come microscopi e telescopi, che di uso comune come display, fotocamere e smartphone. In un futuro ormai vicino, le metalenti saranno prodotte su larga scala ad un prezzo molto molto inferiore al costo delle lenti tradizionali, usando gli stessi macchinari delle fabbriche che producono microprocessori e chip di memoria”.

Le applicazioni sembrano essere infinite, ma la vera rivoluzione per Khorasaninejad riguarderà i dispositivi ottici indossabili quali quelli della realtà aumentata: “Ogni buon sistema di imaging attualmente è pesante perché le spesse lenti devono essere impilate una sopra l’altra. Nessuno vuole vestire un elmetto così pesante per diverse ore. Queste tecniche invece riducono il peso e il volume e permettono di ottenere lenti sottili come un foglio di carta. Immaginale le infinite possibilità che si aprono davanti a noi, dai dispositivi ottici indossabili, alle lenti a contatto flessibili e ai telescopi spaziali”.

@oscillazioni

Leggi anche: Lo specchio più preciso del mondo

Pubblicato con licenza Creative Commons Attribuzione-Non opere derivate 2.5 Italia