Un campo della scienza dei materiali noto come metamateriali ha recentemente catturato l’immaginazione degli ingegneri che sperano di creare dispositivi ottici su scala nanometrica. Jonathan Fan, assistente professore di ingegneria elettrica e direttore dell’ExFab presso la struttura di nanofabbricazione di Stanford, sta aprendo la strada. Recentemente ha vinto la prestigiosa borsa di studio Packard 2016 in Scienza e ingegneria, che finanzia i più promettenti professori all’inizio della carriera in campi che vanno dalla fisica e dalla chimica all’ingegneria. Fan è solo il quarto ingegnere elettrico di Stanford a vincere la borsa di studio dal 1988, e il sostegno finanziario che ne deriva gli permetterà di portare avanti un lavoro così innovativo che può altrimenti rivelarsi difficile da finanziare con mezzi tradizionali. Abbiamo parlato con Fan delle sue visioni nell’ingegneria metamateriale e delle sue collaborazioni interdisciplinari con i colleghi professori di Stanford Allison Okamura e Sean Follmer in progetti come l’integrazione di nuovi tipi di sistemi elettromagnetici con i robot.

Cosa sono i metamateriali?

Al suo livello più elementare, stiamo portando l’idea di un’antenna fino alla nanoscala. Indietro nel giorno prima via cavo e via satellite, TV avevano antenne metalliche. Se la tua immagine non fosse molto buona, ti alzeresti e riconfigureresti fisicamente la geometria dell’antenna per cambiarne le prestazioni. Quelle antenne sono state progettate per le onde radio che erano centimetri a metri di lunghezza. Stiamo lavorando per creare antenne su scala nanometrica che sarebbero in grado di rispondere alla luce visibile con lunghezze d’onda da 400 a 700 nanometri, o luce infrarossa, dove le lunghezze d’onda sono dell’ordine di un micron. Configurando la geometria di queste antenne individualmente e in collezioni, possiamo progettare sistemi in grado di interagire e manipolare la luce in modi completamente nuovi.

Queste minuscole antenne sono di molti ordini di grandezza più piccole di un’antenna TV. Fortunatamente, lo sviluppo della moderna piattaforma di circuiti integrati elettronici nell’ultimo mezzo secolo ha prodotto processi tecnologici maturi che possono aiutarci a definire le caratteristiche su scala nanometrica. Usiamo quelle stesse tecnologie patterning per rendere queste antenne su scala nanometrica. Questa è la panoramica di base.

Qual è la derivazione del termine “meta” nel nome metamaterials?

Quando si pensa di una lente convenzionale, si pensa di vetro-il materiale, giusto? Il vetro della fotocamera o degli occhiali piega la luce in modi molto prevedibili in base alla risposta intrinseca del materiale del vetro. Una lente fatta di un metamateriale risponderà alla luce in modi che non si basano più esclusivamente sulle proprietà del materiale stesso, ma in gran parte sul design e sul layout di queste antenne ottiche. Quindi il concetto di “meta” deriva dalla nostra capacità di progettare materiali artificiali, costituiti da un composito di strutture su scala nanometrica, che possono rispondere alla luce in modi completamente nuovi. È bello vedere un esempio nel caso di un metallo come l’oro. Di solito pensiamo di oro come un materiale sfuso che è riflettente, giallastro e lucido. Anche quando si scende alla nanoscala, l’oro è ancora oro. Ma specificando la geometria dell’oro su scala nanometrica, possiamo cambiare il colore dell’oro da giallo a verde o rosso, e può supportare molti altri tipi di proprietà ottiche che non associamo all’oro sfuso. Queste sono proprietà che gli ingegneri possono utilizzare per creare nuovi dispositivi.

Cosa ci permettono i metamateriali di fare che prima non potevamo?

I metamateriali sono promettenti per un paio di motivi. Innanzitutto, consentono l’estrema miniaturizzazione dei dispositivi ottici esistenti. Ad esempio, possiamo prendere una lente per occhiali e possiamo renderla 100 volte più sottile di una ciocca di capelli. Questo ci consente di tradurre sistemi ottici tradizionalmente ingombranti in fattori di forma estremamente piccoli. In secondo luogo, possono essere personalizzati per supportare nuove proprietà che attualmente non sono accessibili con l’hardware ottico esistente, portando a sistemi ottici completamente nuovi.

Qual è un esempio di un potenziale dispositivo metamateriale?

Una grande opportunità oggi deriva dal fatto che le telecamere ad alta risoluzione sono miniaturizzate per dimensioni che possono adattarsi ai telefoni cellulari, rendendoli accessibili al pubblico un milione di volte più grandi di prima. Parte della mia domanda di ricerca più ampia è: c’è qualcosa di più che possiamo fare con i sistemi di imaging con fattori di forma di una fotocamera del cellulare? Ci sono così tante informazioni nel campo luminoso in entrata che non sono attualmente catturate da una fotocamera del cellulare, ma che potrebbero essere catturate con sistemi di imaging che includono metamateriali. L’accesso a queste informazioni aggiuntive potrebbe cambiare il modo in cui usiamo le immagini che prendiamo. Ad esempio, se hai una condizione della pelle, molte più informazioni ottiche della pelle potrebbero essere estratte da una semplice immagine del cellulare e utilizzate per valutare meglio la tua condizione.

Cosa ti eccita dei metamateriali?

I metamateriali ci portano a una serie completamente diversa di domande – metaquestions, se vuoi. Ad esempio, queste nanoantenne sono anche il modo migliore per fare ciò che vogliamo fare? A questo punto nel tempo, anche questo non è chiaro. Inoltre, si arriva alle grandi domande di applicazioni per questi materiali e dispositivi. E ‘ solo aperta. Ecco perché questo è eccitante per me.

Qualche prima impressione da condividere come nuovo membro della facoltà?

Stanford è un posto davvero speciale. Le persone sono di prim’ordine e l’ambiente è altamente collaborativo, non siloed. Ad esempio, recentemente mi sono espanso nella robotica, dove ho cercato di applicare concetti nelle onde a radiofrequenza per creare sistemi robotici morbidi più intelligenti. In questo sforzo, ho iniziato una collaborazione con Allison Okamura e Sean Follmer, che sono ingegneri meccanici. È stato fantastico finora, e ho imparato così tanto. Le persone qui sono molto aperte e sono ispirate a fare interessanti ricerche interdisciplinari per identificare e risolvere grandi problemi. Sono entusiasta di farne parte.