Michele CIARLETTA | Progetti

STUDIO DEL COMPORTAMENTO TERMICO DEI METAMATERIALI

Il presente progetto, partendo dai risultati ottenuti nello scorso anno dal nostro gruppo di ricerca sulla trasmissione del calore per conduzione in sistemi altamente anisotropi, si propone come scopo quello di formulare una rigorosa struttura fisico-matematica che possa descrivere il comportamento termo-meccanico dei metamateriali. Gli obiettivi del presente progetto si possono riassumere come segue:1. in situazioni instazionarie, prima sfruttando la ben nota equazione di Maxwell-Cattaneo e successivamente tramite alcune sue generalizzazioni sia non locali e non lineari, che con doppio tempo di rilassamento, studieremo la propagazione di onde termiche nei metamateriali allorquando la matrice della conducibilità termica non è più né simmetrica, né tantomeno riconducibile ad uno scalare. In altre parole supporremo che la matrice di conducibilità sia assegnata tramite il più generico tensore del secondo ordine, i cui elementi possono anche dipendere dalla temperatura (o dall'energia interna). In questo caso crediamo che l'uso della seconda legge come strumento per la restrizione delle equazioni costitutive ci possa fornire utili informazioni sulla struttura spaziale che un metamateriale dovrebbe avere al fine di ottenere le performances desiderate nelle applicazioni pratiche, come ad esempio, la possibilità di stoppare un flusso di calore lungo una particolare direzione e di re-indirizzarlo lungo un'altra.2. tramite equazioni generalizzate per la descrizione della conduzione di calore in presenza di effetti non locali e non lineari, nel caso stazionario ci proponiamo di studiare il profilo di temperature nelle immediate vicinanze di una sorgente di calore. In questo caso, infatti, noi ci aspettiamo che l'accoppiamento tra la forte anisotropia e i suddetti effetti non locali e non lineari possa produrre un comportamento anomalo (ovvero non aspettato e solo in apparente contraddizione con i principali fondamenti della meccanica del continuo) del profilo di temperatura. Questo studio potrebbe risultare utile, ad esempio, nella realizzazione di nuovi dispositivi elettronici: infatti, basti pensare che si stanno attualmente sperimentando nuovi metamateriali (a base di silicio) che possono essere usati nei chip dei moderni computer, o in altri circuiti elettrici, in modo tale da usare la luce, piuttosto che gli elettroni, per il trasferimento dei dati e delle informazioni.3. sempre in condizioni stazionarie, nel presente progetto di ricerca noi ci proponiamo di studiare in quali situazioni un prefissato gradiente di temperatura, agente una volta in una direzione e un'altra volta in un'altra direzione, possa generare differenti valori per il corrispondente flusso di calore. In altre parole, ci proponiamo di studiare il cosiddetto fenomeno della rettificazione termica. Sembra opportuno osservare che la possibilità di manipolare, soprattutto su scala nanometrica, il flusso di calore ha infuso nuova linfa vitale nello studio della gestione e della dissipazione di calore nei moderni dispositive elettronici. In questa direzione, si ritiene che i metamateriali possano permettere una maggiore flessibilità.Per l'ottenimento degli auspicati risultati, verranno sfruttate tutte le fondamentali nozioni fisico-matematiche che i partecipanti al presente progetto di ricerca hanno acquisito nel tempo. Tuttavia ulteriori nuove nozioni saranno richieste. Ad esempio, nel caso dello studio della propagazione di disturbi termici, sarà richiesto di approfondire e/o acquisire ulteriori informazioni di geometria differenziale. In quest'ottica, una parte cospicua del budget richiesto verrà usata sia per soggiorni di studio presso rinomate strutture (italiane o straniere) di ricerca, che per invitare autorevoli docenti esterni che possano essere di aiuto nel miglioramento delle nozioni di base richieste. Per lo scambio di idee con altri esperti del settore e per la pubblicizzazione dei risultati ottenuti, parte del budget ottenuto verrà inoltre usato per la partecipazione a congressi nazionali e internazionali.