Gli studi che ci stanno dietro sono complicatissimi, ma le ricadute sono comprensibili a tutti. Come nel caso di tecniche chirurgiche non invasive per la cura di calcoli o disturbi simili. Stiamo parlando delle scoperte a cui sono giunti un gruppo di fisici della sede bresciana dell’Università Cattolica, che in un recente articolo pubblicato su Physical Review B, presentano un apparato teorico in grado di spiegare la natura delle onde acustiche di superficie generate in un cristallo fononico.

I cristalli fononici sono sistemi di recente interesse scientifico-tecnologico, per il loro potenziale impiego nella generazione e manipolazione di onde acustiche ad altissima frequenza. La novità di questi sistemi sta nella loro composizione: sono costituiti da due o più materiali con proprietà elastiche differenti, disposti alternatamente in maniera periodica. L’importante peculiarità del cristallo fononico considerato dai ricercatori della sede bresciana è di essere costituito da un numero elevato di strisce metalliche parallele di dimensioni estremamente piccole, decine di nanometri (1 nanometro = 1 milionesimo di millimetro), depositate su un substrato di silicio di qualche millimetro di spessore. Questa peculiarità assicura la possibilità di generare onde acustiche di superficie nel regime ipersonico, cioè ad altissima frequenza, superiore al gigahertz (1 gigahertz = 1 miliardo di oscillazioni al secondo).

Per capire meglio cos’è un onda acustica di superficie è utile il confronto con un sistema macroscopico a cui fare riferimento in maniera intuitiva. Pensiamo alle onde del mare, distinguendone due tipi. Ci sono onde chiaramente visibili, che si propagano sulla superficie, mentre altre che invece stanno in profondità. Le onde che vediamo interagiscono debolmente con le onde di profondità e sono essenzialmente confinate sulla superficie marina. Allo stesso modo in un cristallo fononico è possibile generare onde acustiche che oscillano, confinate sulla superficie del sistema. Queste onde vengono generate irraggiando il cristallo con una sorgente laser. Ciò che avviene è che le strisce metalliche si espandono impulsivamente per riscaldamento termico, generando uno stress nel substrato che dà il via alla propagazione di onde acustiche. Come per il mare, in questo processo si osservano sia onde acustiche di superficie che di profondità. Chiarendo la natura di queste onde, l’apparato teorico della ricerca della sede di Brescia risulta quindi utile per individuare quali sono veramente superficiali, tra tutte quelle presenti nel sistema, spiegando come interagiscono con le altre, quali caratteristiche presentano e come queste dipendono dai parametri fisici e geometrici del cristallo fononico.

È proprio sulla scorta di queste intuizioni, che i ricercatori mettono in evidenza l’impatto di questo apparato come strumento utile in campi di ricerca eterogenei che spaziano dalla biofisica alla medicina. In cristalli fononici opportunamente ingegnerizzati è possibile sfruttare le onde acustiche di superficie per confinare singole molecole organiche in una regione determinata ed investigarne le proprietà fisiche e biologiche in vivo. Allo stesso modo, agendo in altro modo sulla struttura di questi sistemi, si possono costruire guide d’onda per generare e indirizzare onde acustiche di superficie ad altissima frequenza in regioni in cui normalmente è difficile accedere. Ciò risulta interessante per l’implementazione di tecniche chirurgiche non invasive per la cura di calcoli ed altri simili disturbi patologici.