Utilizzando la grafite, gli scienziati hanno creato una piattaforma galleggiante che non richiede energia esterna.
La piastra in grafite galleggia sui magneti. Credito: OIST.
I ricercatori sono lì Unità Macchine Quantistiche L’Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) sta studiando materiali levitanti, sostanze che possono rimanere sospese in una posizione stabile senza contatto fisico o supporto meccanico. Il tipo più comune di levitazione avviene attraverso i campi magnetici. Oggetti come superconduttori o materiali diamagnetici (materiali respinti da un campo magnetico) possono galleggiare sui magneti per sviluppare sensori avanzati per vari usi scientifici e quotidiani.
Il professor Jason Twamley, direttore dell’unità, insieme al suo team di ricercatori dell’OIST e collaboratori internazionali, ha progettato una piattaforma galleggiante nel vuoto utilizzando grafite e magneti. In particolare, questa piattaforma levitante funziona senza fare affidamento su fonti di alimentazione esterne e può contribuire allo sviluppo di sensori ultrasensibili per misurazioni altamente accurate ed efficienti.
Quando un campo magnetico esterno viene applicato ai materiali diamagnetici, questi generano un campo magnetico nella direzione opposta, che dà origine a una forza repulsiva: il campo viene rimosso. Pertanto, oggetti pesanti realizzati con materiali diamagnetici possono galleggiare su forti campi magnetici. Ad esempio, nei treni maglev, potenti magneti superconduttori creano un forte campo magnetico con materiali diamagnetici per ottenere la levitazione, apparentemente sfidando la gravità.
La grafite, la forma cristallina del carbonio presente nelle matite, è fortemente respinta dai magneti (altamente diamagnetici). Ricoprendo chimicamente un polipo con microsfere di grafite silicea e mescolando il polipo ricoperto di cera, i ricercatori hanno formato una sottile piastra quadrata di un centimetro che galleggia su magneti disposti secondo uno schema quadrato.
Creare una piattaforma galleggiante che non richieda energia esterna presenta diverse sfide. Il più grande fattore limitante è lo “smorzamento dovuto alle correnti parassite”, che si verifica quando un sistema oscillante perde energia nel tempo a causa di forze esterne. Quando un conduttore elettrico, come la grafite, passa attraverso un potente campo magnetico, subisce una perdita di energia dovuta al flusso di correnti elettriche. Questa perdita di energia ha scoraggiato l’uso della levitazione magnetica per implementare sensori avanzati.
Risolvere le sfide
Gli scienziati dell’OIST si sono proposti di progettare una piattaforma in grado di galleggiare e oscillare senza perdere energia, il che significa che, una volta in movimento, continuerà a oscillare per un periodo prolungato, anche senza ulteriore apporto di energia. Questo tipo di piattaforma “senza attrito” potrebbe avere molte applicazioni, comprese nuove classi di sensori per misurare forza, accelerazione e gravità.
Tuttavia, anche se gli scienziati riuscissero a ridurre al minimo lo smorzamento dovuto alle correnti parassite, c’è un’altra sfida: ridurre al minimo l’energia cinetica della piattaforma oscillante. Ridurre questo livello di energia è importante per due ragioni. Innanzitutto la piattaforma è più sensibile per essere utilizzata come sensore. In secondo luogo, raffreddarne il passaggio al regime quantistico – dove predominano gli effetti quantistici – potrebbe aprire nuove possibilità per misurazioni di precisione. Pertanto, per ottenere una piattaforma galleggiante veramente priva di attrito e autosostenibile, è necessario risolvere le sfide legate allo smorzamento dovuto alle correnti parassite e all’energia cinetica.
Un’immagine al microscopio elettronico dell’argilla ricoperta di microsfere di grafite. Le regioni verdi indicano il silicio e confermano la presenza del rivestimento isolante. Credito: OIST.
Per affrontare queste sfide, i ricercatori si sono concentrati sulla creazione di nuovo materiale derivato dalla grafite. Modificandola chimicamente, trasformarono la grafite in un isolante elettrico. Questo cambiamento arresta le perdite di energia consentendo al materiale di levitare nel vuoto.
Nella sua configurazione sperimentale, gli scienziati monitoreranno continuamente il movimento della piattaforma. Utilizzando queste informazioni in tempo reale, applicheranno una forza di feedback magnetico per smorzare il movimento della piattaforma, sostanzialmente raffreddandone il movimento e rallentandolo in modo significativo.
La piastra galleggia su una tavola di magneti con poli nord e sud alternati. Il sistema è isolato dalle vibrazioni e rimane in un ambiente ad alto vuoto. Uno specchio viene utilizzato per monitorare il movimento verticale (posizione e velocità) della tavola e un circuito di feedback viene utilizzato per ridurne il movimento. Credito: OIST.
“Il calore provoca movimento, ma monitorando continuamente e fornendo feedback in tempo reale sotto forma di azioni correttive al sistema, possiamo ridurre questo movimento. Il feedback regola il tasso di smorzamento del sistema, che è la velocità con cui si perde energia, quindi controllando attivamente lo smorzamento riduciamo l’energia cinetica del sistema, raffreddandolo di fatto”, ha spiegato il professor Twamley.
«Se fa abbastanza freddo, la nostra piattaforma levitante potrebbe superare anche i gravimetri atomici più sensibili dispiegati fino alla chiusura. Si tratta di strumenti all’avanguardia che sfruttano il comportamento degli atomi per misurare con precisione la gravità. Il raggiungimento di questo livello di precisione richiede un’ingegneria rigorosa per isolare la piattaforma da disturbi esterni come vibrazioni, campi magnetici e rumore elettrico. Il nostro lavoro in corso è focalizzato sul perfezionamento di questi sistemi per sbloccare tutto il potenziale di questa tecnologia».
Possibili applicazioni
L’unità OIST si concentra sull’utilizzo di materiali levitanti per costruire oscillatori meccanici: sistemi che hanno movimenti ripetitivi o periodici attorno a un punto centrale. Queste oscillazioni si verificano in vari contesti, come pendoli, masse collegate a resort e sistemi acustici.
Questa ricerca apre interessanti possibilità affinché i sensori ultrasensibili possano ottenere un controllo preciso sulle piattaforme oscillanti. Combinando levitazione, isolamento e feedback in tempo reale, il team del professor Twamley sta spingendo al limite ciò che è possibile nella scienza dei materiali e nella tecnologia dei sensori.
I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Lettere di fisica applicata.
Fonte: OIST. Edizione: deputato.
