Immaginate di trovarvi davanti a una telecamera a infrarossi, uno di quegli strumenti capaci di mostrare le differenze di temperatura trasformandole in immagini colorate.
Davanti all’obiettivo ci voi, magari appena usciti da una sauna salutare.
La telecamera dovrebbe individuarti senza difficoltà. E invece niente: sullo schermo non compare nulla di riconoscibile. Il calore continua a fluire, ma sembra aggirarti come se lì, semplicemente, non ci fosse niente.
by O. D. B.
Questo è ciò che ha ottenuto un gruppo di ricercatori dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign condotto da Shelly Zhang, professoressa di ingegneria civile e ambientale: ha progettato, costruito e sperimentato un mantello termico tridimensionale che nasconde oggetti alle telecamere a infrarossi praticamente da qualsiasi direzione. Non rende invisibile un oggetto alla luce e non lo fa scomparire alla vista. Insomma, niente mantelli svolazzanti alla Harry Potter. Qui la magia si chiama ingegneria termica e il suo trucco è più sottile: manipola il modo in cui il calore attraversa lo spazio, facendo apparire dall’esterno un campo termico compatibile con l’assenza dell’oggetto nascosto.
“Un vero mantello termico dovrebbe funzionare indipendentemente dalla provenienza del calore”, ha affermato Zhang. “Il nostro dispositivo è in grado di nascondere un oggetto 3D complesso in un numero infinito di direzioni, mantenendo la temperatura interna stabile e protetta.”
Il problema non era nascondere un oggetto, ma farlo da ogni direzione
L’idea di un mantello capace di nascondere qualcosa dal rilevamento termico non è nuova. Da tempo la fisica teorica suggerisce che, modificando opportunamente le proprietà di un materiale, sia possibile guidare il calore attorno a una regione protetta, proprio come un ostacolo può deviare un flusso d’acqua.
Il principio ricorda, almeno concettualmente, quello di alcuni animali che si mimetizzano per sfuggire ai predatori o sorprendere le prede. Seppie, polpi e calamari sono maestri nel rendersi difficili da individuare, anche se lo fanno attraverso meccanismi biologici molto diversi. I ricercatori, invece, cercano di ottenere un risultato analogo progettando materiali artificiali capaci di controllare il comportamento del calore.
I primi mantelli termici sperimentali funzionavano soprattutto in due dimensioni oppure erano efficaci soltanto quando il calore proveniva da una direzione particolare. Alcuni riuscivano a nascondere forme geometriche relativamente semplici, come cerchi o sfere; altri si basavano su modelli teorici che non erano stati tradotti in strutture fisiche realmente costruibili.
Ma il mondo, ahimè, non è piatto. E gli oggetti che vorremmo proteggere dal rilevamento termico non sono sempre sfere perfette o cilindri da manuale.
Il vero traguardo era quindi realizzare un dispositivo tridimensionale, capace di occultare forme complesse e funzionare indipendentemente dalla direzione da cui arrivava il calore. Una sfida che richiedeva di controllare con precisione le proprietà termiche del materiale in tutte e tre le dimensioni.
Un reticolo metallico, un materiale simile alla gomma e molta ingegneria
La soluzione sviluppata dal gruppo di ricerca consiste in un materiale composito dalla struttura particolare. Il dispositivo combina una rete di alluminio, realizzata mediante stampa 3D, con un materiale simile alla gomma, caratterizzato da una bassa conducibilità termica.
I due componenti svolgono ruoli differenti. L’alluminio conduce bene il calore, mentre il materiale simile alla gomma lo trasmette molto meno efficacemente. Organizzando questi elementi in una struttura reticolare progettata con precisione, i ricercatori possono regolare il modo in cui il calore si muove nelle diverse regioni del dispositivo.
Il punto decisivo non è semplicemente mettere attorno a un oggetto uno strato isolante. Un isolamento tradizionale tende a ostacolare il trasferimento di calore; un mantello termico deve fare qualcosa di più sofisticato: deviare il flusso termico intorno alla zona da nascondere, ricomponendolo in modo che, all’esterno, il campo di temperatura sembri quello che ci sarebbe in assenza dell’oggetto.
Per riuscirci occorre controllare non soltanto quanto calore attraversa un materiale, ma anche in quale direzione si muove e come queste proprietà cambiano da un punto all’altro. È ciò che, nel linguaggio tecnico, viene descritto attraverso una conducibilità termica spazialmente variabile e anisotropa: in parole più semplici, un materiale progettato per trasmettere il calore in maniera diversa a seconda della posizione e della direzione.
Per ottenere questa combinazione di proprietà, il team ha sviluppato un metodo di progettazione tridimensionale che permette di tradurre i requisiti teorici in una struttura reticolare fisicamente realizzabile, con collegamenti sufficientemente robusti e una geometria relativamente semplice.
Il risultato non è soltanto un elegante modello al computer. Il dispositivo è stato costruito davvero, utilizzando la stampa 3D del metallo per produrre la rete di alluminio e uno stampaggio a iniezione per integrare il materiale a bassa conducibilità.
La prova della telecamera a infrarossi
Per verificare se il mantello funzionasse, i ricercatori lo hanno collocato fra zone calde e fredde, creando un gradiente di temperatura. Una telecamera a infrarossi ha permesso di osservare come il calore si distribuisce intorno e attraverso il dispositivo.
L’obiettivo era duplice: fare in modo che dall’esterno non fosse possibile riconoscere la presenza dell’oggetto nascosto attraverso la sua firma termica e, allo stesso tempo, mantenere la regione protetta al riparo dalle temperature esterne.
Gli esperimenti hanno mostrato che il campo termico esterno poteva essere modificato in modo da far apparire l’oggetto occultato come se non ci fosse. Nella zona schermata, inoltre, la temperatura rimaneva più uniforme e protetta dalle condizioni termiche circostanti.
Per mettere alla prova la versatilità del sistema, il gruppo non si è limitato a forme elementari. Ha sperimentato geometrie tridimensionali complesse, comprese strutture dettagliate simili a una testa umana. Nell’astratto dello studio pubblicato su Nature Communications compare anche un esempio decisamente curioso: nascondere una mela all’interno di una pera.
Una scena che potrebbe sembrare uscita da un esperimento di “illusionismo ortofrutticolo”, ma che illustra un punto importante: il mantello non è progettato soltanto per oggetti dalla forma regolare. La strategia permette di affrontare geometrie tridimensionali arbitrarie, ampliando notevolmente le possibilità rispetto ai dispositivi sperimentali precedenti.
Il lavoro combina inoltre la progettazione del reticolo con strumenti matematici chiamati armoniche sferiche, utilizzati per descrivere e gestire configurazioni che variano nello spazio tridimensionale. Questa integrazione ha permesso di realizzare strutture geometricamente molto complesse, mantenendo la capacità di occultamento termico.
Dal laboratorio ai chip: a cosa potrebbe servire?
La prima applicazione che viene in mente è quella della sicurezza: nascondere persone o apparecchiature ai sistemi di rilevamento termico. Ed è una possibilità contemplata dai ricercatori. Ma il controllo del calore potrebbe rivelarsi utile anche in contesti molto meno spettacolari e decisamente più vicini alla vita quotidiana.
“Qualsiasi settore che necessiti di un controllo preciso del calore o che debba proteggere qualcosa dal rilevamento termico potrebbe trarre vantaggio da questo lavoro”, ha affermato Zhang. “Ma lo vediamo anche in un’ottica più ampia: si tratta di nascondere e proteggere le informazioni veicolate dal calore.”
Pensiamo ai componenti elettronici. Nei dispositivi sempre più compatti, la gestione della temperatura è fondamentale: un accumulo eccessivo di calore può compromettere il funzionamento di circuiti e microchip. Materiali capaci di guidare il flusso termico con precisione potrebbero contribuire a proteggere regioni sensibili, distribuire meglio il calore o isolare componenti dalle variazioni provenienti dall’ambiente esterno.
Le prospettive riguardano anche apparecchiature che devono lavorare in condizioni termiche difficili. Il vantaggio potenziale non consiste necessariamente nel rendere invisibile un oggetto, ma nel poter decidere come il calore debba attraversare lo spazio che lo circonda.
È proprio questo il concetto più interessante del lavoro. Il calore, normalmente, ci sembra qualcosa da dissipare, contenere o trasferire da un punto all’altro. Qui diventa invece un fenomeno che può essere guidato attraverso una struttura progettata appositamente, quasi fosse un percorso da ridisegnare.
Naturalmente, la dimostrazione sperimentale non significa che esista già un mantello universale, pronto per essere applicato a qualsiasi oggetto e in qualunque situazione. Le prestazioni dipendono dalla struttura, dai materiali e dalle condizioni termiche. Le applicazioni industriali e di sicurezza richiederanno ulteriori sviluppi e verifiche.
Il prossimo passo: non solo nascondere il calore, ma imparare a governarlo
Il gruppo di ricerca guarda già oltre l’occultamento. L’obiettivo futuro è sviluppare mantelli termici intelligenti e multifunzionali, capaci non soltanto di nascondere e proteggere una regione, ma anche di manipolare attivamente il calore al suo interno.
“Abbiamo dimostrato che è possibile realizzare un vero e proprio mantello termico tridimensionale omnidirezionale”, ha affermato Zhang. “Il prossimo passo è creare mantelli che non si limitino a nascondere e proteggere, ma che manipolino attivamente il calore in modi utili.”
Immaginiamo, per esempio, un oggetto che generi calore proprio nella zona che vorremmo mantenere protetta. Servirebbe una struttura capace di concentrare, diffondere o guidare quell’energia termica in maniera controllata, senza rinunciare alla funzione di schermatura. È una prospettiva ancora da sviluppare, ma indica la direzione verso cui potrebbe evolvere questa tecnologia.
Il risultato ottenuto dal team dell’Illinois rappresenta un passaggio importante: la teoria di un mantello termico tridimensionale, efficace da molteplici direzioni e applicabile a forme complesse, è stata tradotta in un dispositivo reale e testata in laboratorio. Un’invisibilità ottenuta non “cancellando” un oggetto dalla realtà, bensì, modificandone le informazioni che arrivano a chi lo osserva. Una telecamera a infrarossi non vede direttamente le cose come facciamo noi: registra la radiazione termica e le differenze che permettono di riconoscerle.
Se impariamo a guidare il calore, possiamo quindi cambiare ciò che uno strumento è in grado di rilevare.
Non abbiamo fatto sparire la mela: abbiamo convinto il calore a raccontare una storia diversa…anche la fisica può avere i suoi trucchi di prestigio.
Fonti:
https://www.nature.com/articles/s41467-026-73167-0
Area degli allegati
