Assorbitore ultraleggero per microonde con prestazioni di assorbimento migliorate a base di aerogel di chitosano

Perché è importante bloccare le microonde indesiderate

Dagli smartphone e dai router Wi‑Fi ai radar aeroportuali e ai collegamenti satellitari, il nostro mondo è pervaso da segnali microonde invisibili. Pur permettendo le comunicazioni moderne, queste onde possono causare interferenze, rivelare la presenza di aeromobili o apparecchiature ai radar e, nei casi estremi, rappresentare un rischio per l’elettronica sensibile e la salute umana. Gli ingegneri cercano quindi rivestimenti speciali in grado di assorbire le microonde indesiderate invece di rifletterle. Questo studio presenta un nuovo materiale ultraleggero, simile a una spugna, composto da un mix di ingredienti naturali e inorganici che può assorbire fortemente le microonde nelle principali bande di comunicazione e radar.

Una spugna piuma per onde invisibili

I ricercatori hanno voluto realizzare un materiale estremamente leggero e al tempo stesso molto efficace nell’attenuare le microonde. Il punto di partenza è stato il chitosano, un biopolimero ottenuto dagli scarti di crostacei che può formare una spugna solida ma ariosa chiamata aerogel. Da solo, il chitosano è un assorbitore troppo debole, ma la sua struttura porosa è ideale per costringere le microonde a percorrere traiettorie tortuose, aumentando la probabilità che la loro energia venga dissipata. Per migliorare le prestazioni, il team ha riempito questo impalcatura naturale con una miscela calibrata di tre componenti: un composto semiconduttore (diseleniuro di molibdeno, MoSe₂), un materiale carbonioso a elevata conducibilità (ossido di grafene ridotto) e una argilla minerale stratificata (montmorillonite). Il risultato è un aerogel ibrido “polimero/carbonio/minerale” con una densità milioni di volte inferiore a quella dell’acqua.

Come viene costruita la struttura ibrida

Per ottenere il materiale, gli scienziati hanno prima sintetizzato nanoparticelle di MoSe₂, quindi le hanno combinate con fogli di grafene e strati di argilla in acqua in modo che le piccole scaglie si distribuissero invece di aggregarsi. Separatamente, hanno sciolto il chitosano in un acido lieve per formare un gel, poi hanno mescolato diverse quantità della miscela MoSe₂/grafene/argilla. Una piccola quantità di agente reticolante ha contribuito a consolidare la struttura. Infine, hanno congelato la miscela e rimosso il ghiaccio per vuoto, lasciando un aerogel rigido e altamente poroso. Le immagini al microscopio elettronico hanno rivelato una rete di pori interconnessi, con i fogli inorganici distribuiti uniformemente nello scheletro di chitosano—soprattutto quando il riempitivo costituiva circa la metà del contenuto solido.

Intrappolare e drenare l’energia delle microonde

Il test chiave è quanto bene questi aerogel assorbono le microonde nelle bande X e Ku (circa 8–18 GHz), ampiamente usate nei radar e nelle comunicazioni ad alta frequenza. Il team ha misurato quanta parte di un segnale incidente veniva riflessa quando il materiale era applicato su una superficie metallica—una condizione rigorosa che simula un rivestimento su hardware reale. Il chitosano puro mostrava solo un assorbimento modesto. Ma quando è stata aggiunta la miscela MoSe₂/grafene/argilla, le prestazioni sono migliorate in modo significativo. La formulazione ottimale, con circa il 50% di riempitivo in peso, ha ridotto il segnale riflesso fino a 72 decibel con uno spessore di soli 2,7 mm—cioè la potenza dell’onda è diminuita di oltre dieci milioni di volte. Ha inoltre offerto un forte assorbimento su una banda di 3,8 GHz, mentre una versione leggermente più carica ha sacrificato il picco massimo per ottenere una copertura estremamente ampia dell’intera banda X e Ku con uno spessore di appena 2,3 mm.

Perché questa spugna funziona così bene

Il successo dell’aerogel deriva da diversi effetti che drenano l’energia che agiscono insieme. Primo, il suo labirinto di pori costringe le microonde a rimbalzare all’interno, creando riflessioni multiple che allungano il percorso e aumentano le possibilità di perdita. Secondo, il contrasto tra il polimero, il grafene conduttivo, il MoSe₂ semiconduttore e l’argilla dielettrica genera innumerevoli piccole interfacce dove le cariche possono spostarsi avanti e indietro quando passa un’onda, convertendo energia elettromagnetica in calore. Terzo, il grafene e il MoSe₂ forniscono percorsi per il movimento delle cariche, aumentando le perdite elettriche senza rendere il materiale così conduttivo da riflettere le onde in superficie. La struttura stratificata dell’argilla aiuta a mantenere separati e ben dispersi gli altri fogli, massimizzando l’area attiva. Calcoli e simulazioni confermano che questi meccanismi combinati conferiscono agli aerogel un eccellente “matching d’impedenza”, permettendo alle microonde di entrare facilmente e poi essere attenuate in profondità.

Nasccondere oggetti metallici dal radar

Per valutare il potenziale uso pratico, i ricercatori hanno simulato una sfera metallica—un surrogato idealizzato per un bersaglio radar—rivestita con uno strato di aerogel spesso 2,3 mm. Hanno calcolato la sezione d’urto radar, una misura di quanto l’oggetto appare grande a un sistema radar, e l’intensità del campo elettrico diffuso attorno ad essa. Rispetto a una sfera metallica nuda, le versioni rivestite hanno mostrato riduzioni dell’apparente dimensione di 30–60 decibel nelle bande X e Ku, insieme a cali di oltre 30 decibel nel campo diffuso in molte direzioni. In termini semplici, il rivestimento fa apparire l’oggetto metallico molto più piccolo e più debole al radar aggiungendo solo una quantità minima di peso.

Cosa significa per i dispositivi futuri

Complessivamente, lo studio dimostra che combinare un biopolimero rinnovabile con riempitivi nanoscale scelti con cura può produrre un rivestimento ultraleggero e sottile che assorbe efficacemente le microonde su bande di frequenza tecnologicamente importanti. Gli aerogel ottimizzati MoSe₂/grafene/argilla–chitosano superano versioni precedenti basate su ingredienti simili e competono con molti assorbitori più pesanti e complessi. Poiché il chitosano è derivato da abbondanti scarti marini e il processo utilizza condizioni relativamente miti, tali materiali potrebbero offrire una strada più ecologica per schermare l’elettronica sensibile, ridurre l’inquinamento elettromagnetico e persino rivestire in modo stealth componenti di futuri sistemi di comunicazione e radar.

Citazione: Dehghani-Dashtabi, M., Hekmatara, H. & Mohebbi, M. ‌Ultralight microwave absorber with an enhanced absorption performance based on chitosan aerogel. Sci Rep 16, 9475 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40116-2

Parole chiave: assorbitore per microonde, aerogel, chitosano, schermatura elettromagnetica, furtività radar