Senti la forza

La forza repulsiva di Casimir–Lifshitz (C-L), quella che potrebbe consentire la levitazione, seppur su scala submicroscopica, è stata misurata per la prima volta. Lo studio, cover story dell’ultimo numero di Nature, è stato guidato da Federico Capasso dell’Harvard’s School of Engineering and Applied Science (Seas, Usa), ed apre la strada a una serie di importanti applicazioni nel nanotech, come nanocuscinetti e nanobussole. Alcune già protette da brevetto.

Siamo nel mondo quantistico. Qui, tra particelle che si trovano a distanze centomila volte inferiori allo spessore di un capello, il vuoto può generare forze attrattive e repulsive, dovute alle fluttuazioni quantistiche di atomi e molecole. Queste interazioni – previste dalle teorie dei fisici Hendrych Casimir e Evgeny Lifshitz, da cui prendono il nome – sono molto deboli rispetto ad altre forze che si generano a livello atomico, e per lungo tempo i fisici hanno preferito ignorarle.

Nel 2001, i ricercatori del Bell Laboratories (Usa), sempre guidati da Capasso, erano riusciti a misurare la forza attrattiva di C-L. Da allora il fenomeno è stato studiato accuratamente, e sfruttato nel design di dispositivi meccanici su scala nanoscopica. Rappresentando però, a volte, più un problema che una soluzione, perché i componenti dei nanodispositivi possono rimanere “incollati” in modo irreversibile. Conoscere e gestire una forza repulsiva che risolva questo problema potrebbe, quindi, tornare utile per superare alcuni dei limiti alla miniaturizzazione.

Finora però, in tutti i sistemi studiati sperimentalmente, la forza L-C era risultata sempre e solo attrattiva. Il gruppo di Capasso, insieme ai ricercatori dei National Institutes of Health (Usa), sono invece riusciti a creare un sistema in cui la forza risulta repulsiva: una sfera d’oro (di circa 40 nanometri di diametro) posta su un piano di vetro, in una vasca con bromobenzene. Secondo la teoria di Lifshitz, infatti, gli oggetti che si vogliono far respingere e il mezzo in cui si trovano (in questo caso il bromobenzene) devono avere caratteristiche precise.

La condizione fondamentale è che la permettività (cioè la capacità di un materiale di immagazzinare energia elettromagnetica) del mezzo sia intermedia tra quella dei due oggetti.

Per il momento non si parla ancora di levitazione: “Non abbiamo fatto esperimenti di questo tipo, ma solo misurato la forza repulsiva”, spiega Capasso a Galileo, “ma il prossimo passo sarà di dimostrare la levitazione di sfere metalliche al di sopra di un piano di biossido di silicio”.

Per quanto riguarda le applicazioni, questa forza potrà essere sfruttata per migliorare le prestazioni di diversi strumenti, come accelerometri e giroscopi, o per creare nanobussole e nanocuscinetti privi di attrito, perché la levitazione permette agli oggetti di ruotare e traslare gli uni rispetto agli altri. “Ma la tecnologia non si improvvisa” sottolinea Capasso: “Dovremo aspettare ancora tra i cinque e i dieci anni per vederle realizzate”. (t.m.)

(Immagine per gentile concessione di Federico Capasso)