Ologramma 3D: è il grafene l’ultima frontiera

Chi si intende di elettronica e non solo sa che il grafene è la pietra filosofale per le industrie di materiali. Composto solo da un singolo strato di atomi di carbonio, è incredibilmente sottile ma anche resistente e flessibile, oltre a essere un buon conduttore elettrico e termico. Il grafene possiede straordinarie proprietà ottiche ed elettroniche, che unite all’infinitesimo spessore pari a quello di un atomo e a una sorprendentemente elevata resistenza meccanica lo renderanno assoluto protagonista delle nanotecnologie della prossima generazione. In futuro lo si produrrà sempre più su larga scala a costi sempre più ridotti rendendolo adatto all’utilizzo nei settori più disparati. La Swinburne University sta ricercando un metodo per sfruttare il grafene per produrre immagini e video in un ologramma 3D partendo dallo schermo piatto di un dispositivo portatile. Ma come funziona il sistema ideato dalla Swinburne University? La luce, quando attraversa i pixel che compongono un display digitale, viene piegata in base all’indice di rifrazione del materiale. Se si va a modificare l’indice di rifrazione, la luce viene deviata generando un’immagine a tre dimensioni che sembra fluttuare nello spazio sopra il display. Tra qualche anno la famosa scena di Star Wars dove Luke Skywalker, non ancora Jedi, assiste alla richiesta d’aiuto della dolce principessa Leila, proiettata dal fedele R2-D2, non sarà più fantascienza ma realtà.

Cos’è un ologramma 3D?

Un ologramma 3D è definito come una proiezione 3D che esiste liberamente nello spazio, senza ausilio di schermi o altri supporti. In teoria un ologramma dovrebbe essere visibile senza indossare occhiali 3D, ma ad oggi le tecnologie in grado di generare tali ologrammi sono poco sviluppate e dettagliate. In futuro fotografie e film saranno visibili sotto forma di ologramma 3D, rendendo il tutto molto più spettacolare e coinvolgente per gli spettatori. Gli ologrammi mostreranno prodotti, oggetti e filmati tridimensionalmente al di sopra di uno schermo bidimensionale dal quale le immagini sembreranno fluttuare liberamente nello spazio. Al contrario dei film 3D di oggi, comunque visibili solo da davanti al maxischermo, un ologramma 3D è visibile da tutti i lati, quindi uno spettatore può anche camminare attorno all’ologramma per scovare tutti i dettagli e avere una visione più realistica.

Gli antefatti della scoperta

Come per molte scoperte scientifiche, l’inizio di questa storia è basato su un po’ di fortuna e sul trovarsi al posto giusto al momento giusto. Tutto iniziò quando il ricercatore della Swinburne University Xiangping Li scoprì il bassissimo indice di rifrazione del grafene nel 2013. Egli però non aveva pensato alle possibili applicazioni di questa scoperta nel campo degli ologrammi 3D. Fu solo quando il leader del gruppo di ricerca di Li, Min Gu, partecipò ad una conferenza sull’ottica in Cina più tardi lo stesso anno che i ricercatori realizzarono che il loro lavoro potesse essere utilizzato per creare un ologramma 3D basandosi sul grafene. Il piccolissimo indice di rifrazione di questo materiale permette di ottenere pixel nell’ordine dei nanometri, praticamente delle dimensioni di un virus.

Le potenziali applicazioni di questa proprietà sono tantissime, ma Gu si interessò di un gruppo di ricercatori del Beijing Institute of Technology che aveva iniziato a studiare la possibilità di creare un ologramma 3D con un ampio angolo di visione. L’angolo di visione è la misura della massima distanza angolare tra lo schermo e l’ologramma prima che l’immagine si distorca. Il gruppo di ricercatori di Pechino già studiava gli ologrammi da anni, ma non sapeva come incrementare l’angolo di visione che con i comuni schermi usati fino ad allora per creare ologrammi era di massimo 10°. Ciò rendeva impossibile creare ologrammi senza un supporto esterno per l’immagine o il video da proiettare. L’angolo di visione può essere aumentato riducendo la dimensione dei pixel; e quest’obiettivo può essere raggiunto con l’utilizzo dell’ossido di grafene.

L’ossido di grafene per creare un ologramma 3D

Gli scienziati della Swinburne University hanno dimostrato le grandi capacità di una tecnica che sfrutta l’ossido di grafene e la complessa fisica dei laser per creare un ologramma 3D che fluttua nell’aria senza display e senza necessità di indossare occhiali 3D. Attraverso un processo fotonico che non coinvolge calore e variazioni di temperatura, i ricercatori sono stati in grado di creare pixel nanometrici di ossido di grafene con un piccolissimo indice di rifrazione. Queste due proprietà sono fondamentali per proiettare un pixel 2D rendendolo un ologramma 3D visibile a occhio nudo. La tecnica sviluppata dai ricercatori permette, attraverso degli impulsi laser della durata di un femtosecondo (un miliardesimo di milionesimo di secondo), di modificare e controllare con precisione l’indice di rifrazione dei pixel microscopici (nell’ordine dei nanometri) composti di ossido di grafene. L’ ossido ha una struttura simile al grafene ma presenta atomi aggiuntivi di ossigeno, e viene utilizzato soprattutto per la produzione di pellicole e rivestimenti trasparenti e flessibili, adatti appunto per gli schermi di smartphone, tablet e altri dispositivi elettronici.

Le nano-dimensioni dei pixel e la possibilità di modificare l’indice di rifrazione consentiranno di riprodurre immagini 3D vivide e naturali con un angolo di visione fino a 52°, di gran lunga superiore a ciò che si ottiene con gli attuali schermi olografici a cristalli liquidi e modulatori spaziali di luce (SLM), l’unica tecnologia che permette ad oggi di generare un ologramma 3D visibile solo con l’ausilio di speciali occhiali 3D. Ad ogni modo per ora gli ologrammi al grafene sono stati realizzati solo su un display dimostrativo di ridotte dimensioni che proietta immagini di qualche centimetro. Ma i due ricercatori che guidano la ricerca, Min Gu e Xiangping Li, ritengono che questa tecnologia sarà applicabile a qualsiasi scala e nel giro di cinque anni la potremo trovare già sui moderni cellulari e gadget indossabili. Allora la fantascienza di Star Wars diverrà realtà, e potremo vedere lotte tra robot in un ologramma 3d al grafene.