Un team di scienziati dell’Università dell’Illinois, in collaborazione con la Technical University of Denmark, ha sviluppato un innovativo scudo termico tridimensionale in grado di mascherare quasi del tutto la presenza di oggetti alle telecamere a infrarossi. Il meccanismo funziona reindirizzando il flusso di calore attorno all’elemento da occultare, senza modificare in modo evidente le temperature dell’ambiente circostante. A conferma dell’efficacia del sistema, i ricercatori hanno celato una struttura a forma di mela all’interno di un guscio sagomato come una pera.
I dettagli della scoperta, pubblicati sulla rivista Nature Communications, mostrano come questa tecnologia sia capace di preservare quasi intatta la mappa termica circostante l’oggetto celato, anche quando il calore proviene da angolazioni diverse. Un progresso che apre scenari interessanti per la salvaguardia dei componenti elettronici, la regolazione termica dei microprocessori e i dispositivi di rilevamento infrarosso.
Il meccanismo dietro lo scudo che reindirizza il calore
Normalmente, il calore si sposta attraverso un materiale seguendo il percorso dalle aree più calde verso quelle più fredde. Quando incontra un ostacolo sul suo cammino, modifica direzione, generando squilibri nella mappa delle temperature. Sono proprio queste anomalie termiche a tradire l’esistenza di un oggetto durante una scansione a infrarossi.
Gli studiosi hanno escogitato una soluzione costruendo un’architettura che guida il calore lungo un tragitto predefinito, facendolo fluire intorno alla zona che si vuole proteggere. La chiave sta nella combinazione di due materiali con caratteristiche termiche opposte: una lega di alluminio, eccellente conduttore, e il polidimetilsilossano (PDMS), un polimero siliconico molto meno efficiente nel trasmettere calore.
L’alluminio costituisce un’impalcatura tridimensionale fatta di sottili travi intrecciate tra loro, mentre il silicone va a occupare gli interstizi rimanenti. Variando spessore e inclinazione delle travature, gli ingegneri riescono a governare con precisione il percorso del calore in ciascun punto della struttura. Il reticolo metallico nasce grazie alla stampa 3D su metallo, tecnologia che consente di riprodurre forme estremamente articolate e dettagli minuziosi.
L’elemento davvero rivoluzionario sta proprio nella tridimensionalità. Gli scudi termici realizzati finora erano pensati principalmente per superfici piatte o per flussi di calore provenienti da un’unica direzione. Questo nuovo dispositivo, al contrario, si adatta a geometrie irregolari e opera indipendentemente dalla provenienza del flusso termico. Shelly Zhang, professoressa di ingegneria presso l’Università dell’Illinois e coordinatrice dello studio, ha sottolineato come un autentico mantello termico debba garantire protezione a prescindere dalla direzione da cui arriva il calore: proprio questa la caratteristica che il team ha voluto raggiungere.
La prova sperimentale: una mela celata in una pera
Per verificare sul campo l’efficacia del dispositivo, gli ingegneri hanno realizzato un campione con un cuore a forma di mela, avvolto da un rivestimento dalla sagoma di pera. Si trattava ovviamente di forme create appositamente, utili per osservare la risposta del mantello su superfici curve. Il prototipo è stato collocato fra due lastre di alluminio: una portata a 40 °C, l’altra mantenuta fredda tramite acqua e ghiaccio.
Trascorsa un’ora, una telecamera termica ha catturato la configurazione delle temperature. Le osservazioni hanno confermato che il calore riusciva a bypassare la zona centrale, lasciando praticamente invariata la distribuzione termica attorno a essa. Le isoterme, ovvero le linee che uniscono i punti con temperatura identica, restavano pressoché lineari e uniformi, quasi come se l’oggetto celato al centro non influenzasse in alcun modo il trasferimento di calore.
All’interno dello scudo, al contrario, gli sbalzi termici risultavano decisamente più contenuti. La struttura si rivelava così capace di svolgere un duplice compito: occultare la firma termica dell’oggetto e al tempo stesso proteggerlo dagli sbalzi di temperatura esterni. La prova è stata ripetuta modificando l’orientamento del flusso termico, confermando risultati in linea con le previsioni teoriche. Gli scienziati hanno inoltre costruito e collaudato un secondo prototipo, stavolta a forma di cuore.
Da forme semplici a volti umani complessi
Lo studio ha superato i confini delle geometrie testate inizialmente. Gli ingegneri hanno progettato schermi termici con superfici che riproducono fattezze umane, inclusi naso, tratti del viso e occhiali. Tramite simulazioni al computer hanno dimostrato come il reticolo si adatti anche a queste configurazioni particolarmente complesse, conservando le qualità indispensabili per deviare il calore.
Per raggiungere questo obiettivo, il team si è avvalso di specifici modelli matematici, le cosiddette armoniche sferiche, in grado di descrivere con precisione superfici tridimensionali articolate. Alcune strutture sono state anche materializzate tramite stampa 3D. La capacità di nascondere termicamente i volti è stata esaminata attraverso simulazioni, mentre i test sperimentali con la termocamera hanno riguardato le altre forme costruite in metallo e silicone. Questo traguardo amplia gli orizzonti dei metamateriali termici, strutture artificiali progettate per ottenere proprietà determinate essenzialmente dalla loro configurazione interna.
Applicazioni future: dai chip elettronici alla sicurezza
Le possibili applicazioni individuate dagli studiosi toccano diversi campi tecnologici. Uno dei più promettenti riguarda l’elettronica. I microprocessori e altri componenti delicati possono subire danni dalle fluttuazioni termiche, specialmente all’interno di dispositivi di piccole dimensioni attraversati da flussi di calore complessi da gestire. Un materiale capace di guidare il calore lungo tragitti specifici potrebbe aiutare a salvaguardare determinate zone, garantendo condizioni termiche più costanti.
Un ulteriore settore d’interesse riguarda la protezione delle apparecchiature e il controllo delle tracce termiche rilevabili dall’esterno, con possibili ricadute anche nei sistemi di sicurezza. Nella comunicazione ufficiale dello studio, Zhang ha evidenziato come qualunque ambito in cui serva gestire con accuratezza il calore o proteggere un oggetto dal rilevamento termico possa trarre vantaggio da questa innovazione.
Il gruppo di ricerca sta già pianificando il passo successivo: realizzare mantelli intelligenti, in grado di gestire anche il calore generato internamente dagli oggetti nascosti, oltre a deviare quello proveniente dall’esterno. Per il momento, il dispositivo ha dimostrato concretamente che è possibile costruire un percorso tridimensionale attorno a un oggetto, facendo scorrere il calore come se quell’ostacolo semplicemente non esistesse. La mela resta nascosta dentro la pera. Ma è il calore ad aver imparato a scorrerle attorno.