Maiken Mikkelsen vuole cambiare il mondo sviluppando un piccolo, telecamera iperspettrale economica per consentire pratiche agricole di precisione in tutto il mondo che ridurrebbero significativamente l'acqua, energia, fertilizzanti e pesticidi aumentando contemporaneamente i raccolti. Anche se quell'obiettivo sembra un compito arduo per una semplice fotocamera, è uno che ora è stato approvato da una Moore Inventor Fellowship del 2019.

"La Moore Inventor Fellowship mi sta aprendo una nuova strada di ricerca, " ha detto Mikkelsen, James N. e Elizabeth H. Barton Professore Associato di Ingegneria Elettrica e Informatica presso la Duke University. "Mi sta permettendo di esplorare nuove applicazioni per la mia tecnologia che potrebbero avvantaggiare l'ambiente e l'umanità in modo profondo, e sono grato che la Moore Foundation mi permetta di perseguire questi obiettivi".

Le fotocamere a cui la maggior parte delle persone pensa e usa ogni giorno catturano solo la luce visibile, che è una piccola frazione dello spettro disponibile. Altre fotocamere potrebbero specializzarsi nelle lunghezze d'onda degli infrarossi o dei raggi X, Per esempio, ma pochi possono catturare la luce da punti disparati lungo lo spettro. E quelli che possono soffrire di una miriade di inconvenienti, come macchinari complicati che possono rompersi, basse velocità funzionali, ingombro che può renderli difficili da trasportare, maneggiare a mano o appoggiare su droni, e costi che vanno da decine a centinaia di migliaia di dollari.

Mikkelsen, però, sta lavorando a un approccio implementabile su un singolo chip, può scattare un'immagine multispettrale in pochi trilionesimi di secondo, e prodotto e venduto per poche decine di dollari.

"Non era affatto ovvio che potessimo farlo, " ha detto Mikkelsen. "E 'abbastanza sorprendente in realtà che non solo funziona in esperimenti preliminari, ma stiamo assistendo a nuovi fenomeni fisici che non ci aspettavamo che ci consentiranno di accelerare la velocità con cui possiamo eseguire questo rilevamento di molti ordini di grandezza".

Il fenomeno fisico alla base della tecnologia di Mikkelsen si chiama plasmonica, l'uso di fenomeni fisici su scala nanometrica per intrappolare determinate frequenze di luce.

Mikkelsen e il suo team creano cubi d'argento larghi appena un centinaio di nanometri e li posizionano solo pochi nanometri sopra un sottile strato d'oro. Quando la luce in arrivo colpisce la superficie di un nanocubo, eccita gli elettroni dell'argento, intrappolando l'energia della luce, ma solo a una certa frequenza.

La dimensione dei nanocubi d'argento e la loro distanza dallo strato di base dell'oro determina quella frequenza, mentre il controllo della distanza tra le nanoparticelle consente di regolare la forza dell'assorbimento. Adattando con precisione queste distanze, i ricercatori possono fare in modo che il sistema risponda a qualsiasi frequenza elettromagnetica che desiderano.

Per sfruttare questo fenomeno fisico fondamentale per una fotocamera commerciale, Mikkelsen e i suoi colleghi hanno dimostrato una sorta di "superpixel", un pixel costituito da una griglia di nove rivelatori individuali, ciascuno sintonizzato su una diversa frequenza di luce. Quando qualsiasi punto sulla griglia del pixel cattura la sua frequenza specifica, si riscalda, che a sua volta crea una tensione elettrica in uno strato di materiale piroelettrico posto direttamente al di sotto di esso. Tale tensione viene quindi letta da uno strato inferiore di un contatto a semiconduttore di silicio, che trasmette il segnale a un computer per l'analisi.

"I fotorivelatori commerciali sono stati realizzati con questi tipi di materiali piroelettrici prima, ma hanno sempre sofferto di due principali inconvenienti:non sono stati in grado di concentrarsi su specifiche frequenze elettromagnetiche e hanno operato a velocità molto basse a causa degli spessi strati di materiale necessari per assorbire abbastanza luce in entrata, " ha detto Mikkelsen. "Ma i nostri rilevatori plasmonici possono essere sintonizzati su qualsiasi frequenza e intrappolare così tanta energia che abbiamo solo bisogno di un sottile strato di materiale piroelettrico, che accelera notevolmente il processo."

Mentre i primi esperimenti di proof-of-concept utilizzeranno una griglia tre per tre in grado di rilevare nove frequenze, Mikkelsen prevede di scalare fino a una griglia cinque per cinque per un totale di 25 frequenze. E non mancano le applicazioni pronte a sfruttare un tale dispositivo.

I chirurghi possono utilizzare l'imaging iperspettrale per distinguere tra tessuto canceroso e sano durante l'intervento chirurgico. Gli ispettori per la sicurezza alimentare e dell'acqua possono usarlo per dire quando un petto di pollo è contaminato da batteri pericolosi. Ma l'applicazione su cui Mikkelsen ha puntato è l'agricoltura di precisione. Mentre le piante possono sembrare solo verdi o marroni ad occhio nudo, la luce riflessa dalle foglie e dai fiori al di fuori dello spettro visivo contiene una cornucopia di preziose informazioni.

"Ottenere un'"impronta digitale spettrale" può identificare con precisione un materiale e la sua composizione, " ha detto Mikkelsen. "Non solo può indicare il tipo di pianta, ma può anche determinarne la condizione, se ha bisogno di acqua, è stressato o ha un basso contenuto di azoto, indicando la necessità di fertilizzante. È davvero sorprendente quanto possiamo imparare sulle piante semplicemente studiando un'immagine spettrale di esse".

L'imaging iperspettrale potrebbe consentire un'agricoltura di precisione, permettendo fertilizzante, pesticidi, erbicidi e acqua da applicare solo dove necessario. Questo ha il potenziale per ridurre l'inquinamento risparmiando acqua e denaro. Immagina una telecamera iperspettrale montata su un elicottero o un drone che mappa le condizioni di un campo e trasmette tali informazioni a un trattore progettato per fornire fertilizzanti o pesticidi a velocità variabili attraverso i campi.

Si stima che il processo attualmente utilizzato per produrre fertilizzanti rappresenti fino al due percento del consumo energetico globale e fino al tre percento delle emissioni globali di anidride carbonica. Allo stesso tempo, i ricercatori stimano che dal 50 al 60 percento del fertilizzante prodotto venga sprecato. Contabilità per il solo fertilizzante, l'agricoltura di precisione ha un enorme potenziale per il risparmio energetico e la riduzione dei gas serra, per non parlare dei risparmi stimati di 8,5 miliardi di dollari ogni anno, secondo il Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti.

Diverse aziende stanno già portando avanti questo tipo di progetti. Per esempio, IBM sta pilotando un progetto in India utilizzando immagini satellitari per valutare le colture in questo modo. Questo approccio, però, è molto costoso e limitante, ecco perché Mikkelsen immagina un economico, rilevatore portatile in grado di visualizzare i campi coltivati ​​da terra o da droni economici.

"Immagina l'impatto non solo negli Stati Uniti, ma anche nei paesi a basso e medio reddito dove spesso mancano i fertilizzanti, pesticidi e acqua, " ha detto Mikkelsen. "Sapendo dove applicare quelle scarse risorse, potremmo aumentare significativamente la resa del raccolto e contribuire a ridurre la fame".

Lanciato nel 2016 per celebrare il cinquantesimo anniversario della Legge di Moore, la previsione rivoluzionaria che ha anticipato la crescita esponenziale della potenza di calcolo, il programma abbraccia lo spirito della passione di Gordon Moore per la scienza e la propensione per l'invenzione.

Quest'anno, la fondazione ha preso in considerazione più di 200 candidature alla fase finale, tra i quali sono stati selezionati cinque borsisti per perseguire progetti innovativi con il potenziale per apportare cambiamenti significativi. Ogni borsista riceve un totale di $ 825, 000 in tre anni, nonché networking e supporto imprenditoriale per portare avanti la loro invenzione.

"La Moore Inventor Fellowship riconosce la qualità dell'individuo, così come la qualità dell'idea, " ha detto Harvey V. Fineberg, presidente della Fondazione Gordon e Betty Moore. "L'obiettivo finale è convertire le idee in invenzioni che possono cambiare il mondo".