Chip di analisi della luce

Sviluppato uno strumento con tecnologia all'avanguardia per misurare la luce che contribuirà all'ottimizzazione del settore della spettrometria ottica, dalle fotocamere degli smartphone al monitoraggio ambientale

La spettrometria ad alta risoluzione tende ad essere associata a macchine di dimensioni da banco. Recenti sforzi sugli spettrometri computazionali hanno dimostrato che questa impronta fisica può essere ridotta utilizzando nanofili e materiali bidimensionali (2D), ma questi dispositivi sono spesso associati a prestazioni limitate.

Gli spettrometri computazionali miniaturizzati, che possono ottenere spettri incidenti utilizzando una combinazione di risposte spettrali del dispositivo e algoritmi di ricostruzione, sono essenziali per applicazioni su chip e impiantabili. La misurazione spettrale altamente sensibile mediante un singolo rivelatore consente di ridurre le impronte di tali spettrometri ottenendo una risoluzione spettrale che si avvicina a quella dei sistemi da banco. In questa ricerca si descrive uno spettrometro computazionale ad alte prestazioni basato su una singola giunzione di van der Waals con una risposta spettrale mediata dal trasporto sintonizzabile elettricamente.

Il nuovo studio degli Scienziati, tra cui un ricercatore sui materiali della Oregon State University, pubblicato su Science (1), è stato condotto dall'Università finlandese di Aalto e ha prodotto uno spettrometro potente e ultra-piccolo che si adatta a un microchip e funziona utilizzando l'intelligenza artificiale.

La ricerca ha coinvolto una classe relativamente nuova di materiali supersottili noti come semiconduttori bidimensionali e il risultato è una prova di concetto per uno spettrometro che potrebbe essere prontamente incorporato in una varietà di tecnologie, comprese piattaforme di ispezione della qualità, sensori di sicurezza, analizzatori e telescopi spaziali.

«Abbiamo dimostrato un modo per costruire spettrometri che sono molto più in miniatura di quelli normalmente utilizzati oggi», ha affermato il dottor Ethan D. Minot (2), professore di fisica all'Oregon State University College of Science. «Gli spettrometri misurano la forza della luce a diverse lunghezze d'onda e sono super utili in molte industrie e in tutti i campi della scienza per identificare campioni e caratterizzare i materiali».

Gli spettrometri tradizionali richiedono componenti ottici e meccanici ingombranti, mentre il nuovo dispositivo potrebbe adattarsi all'estremità di un capello umano, ha affermato Minot. La nuova ricerca suggerisce che questi componenti possono essere sostituiti con nuovi materiali semiconduttori e intelligenza artificiale, consentendo di ridurre drasticamente le dimensioni degli spettrometri rispetto a quelli attuali più piccoli, che hanno all'incirca le dimensioni di un acino d'uva.

«Il nostro spettrometro non richiede l'assemblaggio di componenti ottici e meccanici separati o progetti di array per disperdere e filtrare la luce», ha affermato il dottor Hoon Hahn Yoon (3), che ha guidato lo studio con il collega, il dottor Zhipei Sun Yoon (4) dell'Aalto University. «Inoltre, può raggiungere un'alta risoluzione paragonabile ai sistemi da banco, ma in un pacchetto molto più piccolo».

Il dispositivo è controllabile elettricamente al 100% per quanto riguarda i colori della luce che assorbe, il che gli conferisce un enorme potenziale di scalabilità e usabilità diffusa, affermano i ricercatori.

«Integrarlo direttamente in dispositivi portatili come smartphone e droni potrebbe migliorare la nostra vita quotidiana», ha affermato Yoon. «Immagina che la prossima generazione delle nostre fotocamere per smartphone potrebbe essere quella iperspettrale».

Quelle telecamere iperspettrali potrebbero acquisire e analizzare le informazioni non solo dalle lunghezze d'onda visibili, ma anche consentire l'imaging e l'analisi a infrarossi.

«È eccitante che il nostro spettrometro apra possibilità per tutti i tipi di nuovi gadget quotidiani e anche strumenti per fare nuova scienza», ha detto Minot.

In medicina, ad esempio, gli spettrometri sono già stati testati per la loro capacità di identificare sottili cambiamenti nel tessuto umano come la differenza tra tumori e tessuto sano.

«Per il monitoraggio ambientale», ha aggiunto Minot, «gli spettrometri possono rilevare esattamente che tipo di inquinamento c'è nell'aria, nell'acqua o nel suolo e quanto c'è».

Il dottor Ethan D. Minot spiega: «Sarebbe bello avere spettrometri portatili a basso costo che fanno questo lavoro per noi. E in ambito educativo, l'insegnamento pratico dei concetti scientifici sarebbe più efficace con spettrometri economici e compatti. Le applicazioni abbondano anche per gli hobbisti orientati alla scienza. Se sei un appassionato di astronomia, potresti essere interessato a misurare lo spettro di luce che raccogli con il tuo telescopio e fare in modo che tali informazioni identifichino una stella o un pianeta. Se la geologia è il tuo hobby, potresti identificare le pietre preziose misurando lo spettro di luce che assorbono. Con il progredire del lavoro con i semiconduttori bidimensionali, scopriremo rapidamente nuovi modi per utilizzare le loro nuove proprietà ottiche ed elettroniche».

La ricerca sui semiconduttori 2D va avanti seriamente solo da una dozzina di anni, a cominciare dallo studio del grafene, carbonio disposto in un reticolo a nido d'ape con uno spessore di un atomo.

«È davvero entusiasmante», ha detto Minot. «Credo che continueremo ad avere scoperte interessanti studiando semiconduttori bidimensionali».

Oltre a Minot, Yoon e Sun, la collaborazione includeva scienziati della Shanghai Jiao Tong University, Zhejiang University, Sichuan University, Yonsei University e l'University of Cambridge, nonché altri ricercatori della Aalto University. L'Academy of Finland ha sostenuto questo studio.

Riferimenti:

(1) Miniaturized spectrometers with a tunable van der Waals junction

(2) Ethan D. Minot

(3) Hoon Hahn Yoon

(4) Zhipei Sun Yoon

Descrizione foto: Spettrometro su un chip. - Credit: Oregon State University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Light-analyzing ‘lab on a chip’ opens door to widespread use of portable spectrometers