Un gruppo di ricercatori di fisici dell'Università di Harvard ha sviluppato nuovi spettrometri portatili in grado di offrire le stesse prestazioni di grandi, strumenti da banco. L'innovazione dei ricercatori spiegata questa settimana in Fotonica APL , deriva dal loro lavoro pionieristico nelle lenti in metallo. Gli spettrometri portatili offrono una vera promessa per applicazioni che vanno dalla diagnostica sanitaria al monitoraggio ambientale e alimentare.
Gli spettrometri sono strumenti ampiamente utilizzati per quantificare la presenza di vari composti biologici o chimici in base alla loro interazione con la luce. Però, essere uno strumento pratico per gli utenti, come medici al capezzale o ispettori per la sicurezza alimentare sul campo, gli spettrometri devono essere portatili, a basso costo e facile da usare senza attrezzature o formazione specializzata. Tipicamente, però, esiste un compromesso intrinseco tra le dimensioni e le prestazioni dello spettrometro. Per mantenere le prestazioni riducendo le dimensioni dello spettrometro, questo team di ricercatori ha sviluppato uno spettrometro che incorpora meta-lenti che combinano le funzionalità di un reticolo tradizionale e di uno specchio di focalizzazione in un unico componente, oltre ad avere una capacità molto maggiore di separare spazialmente le lunghezze d'onda (la cosiddetta dispersione). In tutto, la dimensione complessiva dello spettrometro è significativamente ridotta senza sacrificare le prestazioni.
"Questa ricerca affonda le sue radici nel 2011, quando stavamo studiando le proprietà fondamentali della luce in quanto interagisce con i metamateriali bidimensionali (metasuperfici) e abbiamo scoperto leggi generalizzate per la rifrazione e riflessione della luce per metasuperfici, che sono potenti generalizzazioni delle leggi da manuale valide per le superfici ordinarie, " ha spiegato Federico Capasso di Harvard.
A differenza delle tradizionali lenti refrattarie che hanno uno spessore millimetrico e una caratteristica superficie curva, una meta-lente è una lente completamente piatta o planare composta da milioni di nanostrutture. Utilizzando tecniche litografiche, il corretto posizionamento e fabbricazione di queste nanostrutture consente funzionalità simili o migliori rispetto alle lenti tradizionali. Queste meta-lenti possono essere personalizzate in base alle specifiche dell'utente, e prodotti in serie utilizzando le stesse fonderie che producono chip per computer. "Per queste ragioni, crediamo che le meta-lenti cambino il gioco, — disse Capasso. — In effetti, il nostro lavoro sui metalenses nel visibile, pubblicato lo scorso anno, è stata salutata dalla rivista Science come una delle migliori scoperte dell'anno nel 2016".
"Le potenziali applicazioni di questi nuovi spettrometri più piccoli sono significative per il monitoraggio portatile di composti biologici e chimici", ha affermato Alex Zhu, autore principale del paper. "Per esempio, i medici potrebbero portare capacità diagnostiche a livello ospedaliero ai pazienti sul campo dove non sono disponibili attrezzature sofisticate e personale altamente qualificato, fornire dati su una scala temporale da minuti a ore, al contrario di giorni o settimane dai normali metodi basati sulla chimica." Lo stesso vale per il monitoraggio ambientale:dati sugli inquinanti, o sostanze chimiche tossiche potrebbero essere raccolte e lavorate in tempo reale sul posto in varie località con strumenti ultracompatti, spettrometri ad alte prestazioni.
Il prossimo passo verso la realizzazione del pieno potenziale di questi meta-spettrometri è migliorare le prestazioni del prototipo sia per l'intervallo di lunghezze d'onda di lavoro che per la risoluzione spettrale. Ciò consentirebbe di essere utilizzato per un'ampia varietà di analisi, compresi quelli altamente specializzati per identificare proteine o marcatori genici (spettroscopia Raman), che in genere comportano processi onerosi con apparecchiature sofisticate in un laboratorio a grandezza naturale.
"L'obiettivo è essere in grado di raggiungere livelli di prestazioni comparabili con un semplice dispositivo a due componenti 'plug-and-play', cioè., una meta-lente e un rivelatore, che insieme funzionano come un meta-spettrometro, " Zhu ha detto. "Il potenziale per questo esiste già nella tecnologia delle lenti metalliche; si tratta semplicemente di trovare le giuste configurazioni e farlo funzionare."
