Nel presente progetto si propone lo studio teorico/numerico e sperimentale delle proprietà di emissione nel medio infrarosso, 3-12 micron, di mezzi effettivi (metamateriali) schematizzabili secondo due principali tipologie di strutture: una matrice avente dei pori di aria orientatati, ed alternativamente, delle nanostrutture orientate. Entrambe le tipologie possono essere viste come la combinazione di due mezzi, un materiale polare ed aria, a formare una matrice con inclusioni orientate.
L'attività teorico/numerica riguarderà principalmente la definizione un metodo di calcolo che combini tecniche di omogenizzazione, nei limiti di dimensioni delle inclusioni più piccole delle lunghezze d'onda considerate, al metodo delle matrici di trasmissione.
Importanti parametri di questo modello sono la percentuale (filling factor), la forma e l'orientazione (depolarization factors) delle inclusioni: tali parametri saranno opportunamente combinati con l'obiettivo di modulare la risultante emissività nell'infrarosso, in intensità, direzione e frequenza.
Dal punto di vista sperimentale viene proposto uno studio dell'emissione infrarossa e termica dei metamateriali in esame. In particolare, mediante tecniche di spettroscopia FTIR si misurerà la trasmittanza e riflettanza nell'intervallo 3-20 micron ed attraverso analisi di termografia IR si misurerà un importante parametro quale l'emissività nel vicino IR (3-5 micron).
Complessivamente, i risultati ottenibili dallo svolgimento di questo progetto di ricerca saranno utili per la formulazione di un futuro progetto più ampio, in ambito internazionale, che prevederà lo sviluppo e la realizzazione di dispositivi nanostrutturati per l'emissione infrarossa selettiva e direzionale, per applicazioni nel campo della sensoristica per molecole biologiche.
In questo progetto studieremo e caratterizzeremo l'emissione infrarossa di un metamateriale composto di inclusioni orientate di un materiale polare in una matrice di aria, e viceversa (inclusioni di aria in una matrice di materiale polare), nell'intervallo 3-12 micron per applicazioni nell'ambito della sensoristica di sostanze biologiche/chimiche.
Come menzionato nei paragrafi precedenti, il concetto del controllo e manipolazione dell'emissione infrarossa è un problema aperto che interessa molti gruppi di ricerca internazionali. L'idea di considerare sistemi di inclusioni orientate di dimensioni più piccole delle lunghezze d'onda interessate, rientrando nel campo dei metamateriali, è nata parallelamente al nostro recente lavoro sulle proprietà di emissione IR di un metamateriale in SiC (riferimento 2 del paragrafo precedente) che ha evidenziato peculiari ed interessanti proprietà di controllo legate alla percentuale, alla forma ed alla orientazione delle inclusioni di un materiale polare.
L'innovatività di questa ricerca sta nel fatto che solitamente i materiali nanostrutturati vengono studiati facendo ricorso a strumenti di calcolo numerico quali il metodo alle differenze finite nel regime del tempo (finite difference time domain methods, FDTD) [1] oppure il metodo agli elementi finiti (finite elements methods, FEM) [2], entrambi particolarmente onerosi in termini di tempo macchina necessario. Nei limiti di applicabilità della Maxwell Garnet, ovvero per percentuali di inclusioni inferiori al 30%, il metodo di omogeneizzazione che abbiamo sviluppato fornisce uno strumento analitico ed immediato che comporta tempi ridotti e risorse contenute per l'implementazione delle simulazioni.
Inoltre, anche se la teoria del mezzo effettivo di Maxwell Garnett rappresenta uno dei classici principi di mescolamento di materiali, così come i fattori di depolarizzazione vengono ampliamente utilizzati per introdurre l'effetto di inclusioni orientate nei metamateriali, l'innovatività del nostro contributo in questo progetto è quello di intravedere come delle inclusioni di forma ellissoidale possano essere disposte scegliendo sia forma che orientazione in modo che l'emissività del mezzo effettivo risultante possa sovrapporsi ad alcune tipiche righe di emissione di rischiosi contaminanti chimici, per diverse polarizzazioni della luce incidente. Lo scopo ultimo di questo studio è quello di valutare la realizzazione di sensori chimici che lavorino ad una coppia di lunghezze d'onda vicine che possano essere discriminate in polarizzazione. Una volta che le linee di emissione da distinguere sono selezionate nell'intervallo della tipica banda ove sono presenti i polaritoni (anche nota come Restralhen band), il bilancio tra selezione del fattore di riempimento e la sezione dei fili permette di accordare l'emissione della struttura risultante con quella delle molecole che si intende discriminare.
Infine, nei materiali polari è possibile eccitare onde di polarizzazione del reticolo cristallino di tipo longitudinale e trasversale, a seconda della direzione di vibrazione dei nuclei del reticolo. Il polaritone longitudinale normalmente può essere eccitato soltanto da un'onda elettromagnetica che incida sul mezzo polare con un angolo diverso da zero. La peculiarità dei mezzi nanostrutturati, come quelli presi in considerazione, è quella di poter eccitare il polaritone longitudinale anche ad incidenza normale, il che conferisce alle strutture in esame un ulteriore grado di versatilità ed innovazione.
Complessivamente i risultati ottenibili con questo progetto di ricerca getteranno le basi per un futuro progetto più ampio che preveda la partecipazione di collaboratori esterni di altre università o centri di ricerca che sono già coinvolti in forma non ufficiale.
[1] S.Shu, L.Zheng, H.Li et al., "Porous metal-based multilayers for selective thermal emitters", Optics Letters 37, 4883 (2012).
[2] H. Deng, T. Wang, J. Cao and X. Yang, "Metamaterial thermal emitters based on nanowire cavities for high-efficiency thermophotovoltaics", Journal of Optics 16, 035102 (2014).