L'ambiente globale soffre di inquinamento dell'aria dovuto all'eccesso di particolato, con conseguenti enormi costi sociali ed economici. La qualità dell'aria è generalmente caratterizzata dalla concentrazione di massa di particolato fine con diametri aerodinamici inferiori a 2,5 µm (PM2,5), che è principalmente fornito da particelle di dimensioni micron, mentre il pericolo indotto dal particolato ultrafine (con diametri inferiori a centinaia di nanometri) rimane gravemente sottostimato. Oltre alla loro distribuzione di massa, le distribuzioni dimensionali del particolato aereo stanno diventando sempre più importanti per la valutazione dei pericoli dell'aria.

Un team guidato dal professor Xiao Yun-Feng dell'Università di Pechino propone e dimostra un profilo basso, alta precisione, senza cavità, e un sistema di rilevamento delle dimensioni in tempo reale che lavora in un ambiente aperto utilizzando una struttura a matrice di guide d'onda con un forte campo evanescente. Questo lavoro è stato pubblicato online in Luce:scienza e applicazioni .

Si ritiene che il particolato ultrafine abbia implicazioni sulla salute ancora più aggressive rispetto al particolato più grande, perché possono entrare nei polmoni, provocando il cancro ai polmoni, e può penetrare ulteriormente la barriera aria-sangue, invadendo il sistema circolatorio e causando malattie respiratorie e persino disfunzioni d'organo. Un articolo in evidenza in Scienza sottolinea che l'inalazione di inquinanti atmosferici ultrafini può attaccare il cervello e può persino aumentare i rischi di malattia di Alzheimer e altre forme di demenza. Perciò, maggiore attenzione dovrebbe essere prestata alle particelle ultrafini, e le loro distribuzioni dimensionali. Rispetto alle tecniche convenzionali di analisi dell'aerosol per misurare le distribuzioni dimensionali del particolato, i metodi ottici mostrano un grande potenziale per misurare le distribuzioni dimensionali del particolato a causa della loro natura non distruttiva, immunità ai disturbi elettromagnetici, e capacità di rilevamento in situ in tempo reale.

I metodi ottici tipici per misurare la dimensione delle nanoparticelle utilizzano principalmente metodi di assorbimento o diffusione. Però, i metodi di assorbimento sono applicabili solo per obiettivi lossy, mentre i metodi di diffusione convenzionali che utilizzano la luce laser nello spazio libero devono essere utilizzati in una cavità chiusa per evitare disturbi dalla luce ambientale, rendendo così il sistema piuttosto complicato. I sistemi di rilevamento ottico a microcavità recentemente sviluppati che utilizzano metodi di dispersione hanno eliminato la necessità di una cavità chiusa e hanno raggiunto un limite di rilevamento basso senza precedenti. Però, il dimensionamento basato su microcavità richiede tipicamente una sorgente laser sintonizzabile e il controllo rigoroso dell'accoppiamento in campo vicino.

Nella pubblicazione, i ricercatori hanno sviluppato uno spettrometro di dimensioni prive di cavità per sondare il particolato fine e ultrafine senza la necessità di un laser sintonizzabile e di un controllo dell'accoppiamento in campo vicino. "Il dispositivo utilizza la diffusione perturbata delle particelle potenziata in forti campi ottici evanescenti, e il componente di sondaggio è un array di nanofibre modellato a serpentina. Le informazioni sulla dimensione dell'analita vengono lette monitorando le cadute di potenza della luce trasmessa a causa della diffusione indotta dalle nanoparticelle. Una risoluzione di dimensionamento di 10 nm si ottiene per nanoparticelle di polistirene standard (PS) di 100 nm di diametro ottimizzando le polarizzazioni della luce della sonda", ha affermato il dott. Yu Xiao-Chong, un ricercatore post-dottorato presso l'Università di Pechino, e il primo autore di questo lavoro.

Il lavoro mette in evidenza lo spettrometro dimensionale sondando l'evoluzione del particolato atmosferico nell'inverno del 2015 e del 2016. Quando il particolato aereo fluisce sulla nanoguida, la potenza della luce trasmessa dipende fortemente dalla dimensione delle particelle, e quindi le distribuzioni dimensionali possono essere ottenute in tempo reale. L'evoluzione dei diametri del particolato nell'atmosfera di Pechino viene monitorata con un passo di 20 nm. Utilizzando l'indice di rifrazione medio e la densità del particolato, l'evoluzione della distribuzione dimensionale è pronta per essere convertita in quella della distribuzione di massa. Il trend nell'evoluzione dei risultati sperimentali PM1.0 è coerente con quello dei dati ufficiali PM2.5, convalidare la capacità di dimensionamento dello spettrometro dimensionale.

"Fatta eccezione per le distribuzioni di massa, le distribuzioni dimensionali sono più importanti, perché le particelle con diametri di centinaia di nanometri possono causare danni irreversibili agli organi, ma i dati convenzionali sul PM2,5 sono principalmente forniti da particolati più grandi", ha affermato il professor Qiu Cheng-Wei, il collaboratore della National University of Singapore. "Lo spettrometro di dimensioni sviluppato è superiore al monitoraggio del particolato più piccolo e ha mostrato un limite di rilevamento di 100 nm. Questo dispositivo non può essere applicato solo nella valutazione della qualità dell'aria, ma può anche trovare applicazioni in settori in cui è necessario monitorare la dimensione delle nanoparticelle, ", ha detto il professor Xiao.