Spettrometri infrarossi a trasformata di Fourier (FTIR), tra gli strumenti di ricerca più utilizzati per identificare e analizzare le sostanze chimiche, sono troppo grandi per essere utilizzati sul campo per rilevare i composti.

Sono stati fatti diversi tentativi per sviluppare spettrometri FTIR miniaturizzati da integrare nei droni per monitorare i gas serra a distanza, o per l'integrazione in smartphone e altri dispositivi. Però, gli attuali dispositivi miniaturizzati sono costosi da produrre.

Scienziati del Laboratorio di ricerca sui dispositivi dell'Università di Campinas (LPD-UNICAMP) in Brasile, collaborando con i colleghi della University of California San Diego negli Stati Uniti, hanno superato questi vincoli sviluppando uno spettrometro FTIR basato sulla fotonica del silicio, la tecnologia attualmente utilizzata per produrre chip per computer, smartphone e altri dispositivi elettronici.

Lo studio è stato condotto da Mário César Mendes Machado de Souza e da uno stage di ricerca all'estero, e pubblicato in Comunicazioni sulla natura . Souza è l'autore principale dell'articolo.

"La fotonica del silicio offre una piattaforma per la fabbricazione di spettrometri miniaturizzati ad alte prestazioni a prezzi accessibili, " Egli ha detto.

Secondo Suza, La spettroscopia FTIR identifica le sostanze chimiche utilizzando una sorgente di luce a infrarossi per misurare l'assorbimento. Un campione è esposto a diverse lunghezze d'onda della luce infrarossa, e lo spettrometro misura quali lunghezze d'onda vengono assorbite. Il computer prende questi dati di assorbimento grezzi e conduce un processo matematico noto come trasformata di Fourier per generare un modello o spettro di assorbanza, che viene confrontato con una libreria di spettri per i composti chimici per trovare una corrispondenza.

I progetti hanno tentato negli ultimi anni di sviluppare uno spettrometro FTIR basato sulla fotonica integrata, che utilizza la luce soprattutto nello spettro infrarosso, ma i progressi sono stati minimi a causa di diverse sfide tecniche, ha spiegato Souza. Una di queste sfide è il profilo altamente dispersivo delle guide d'onda in silicio, il che significa che ogni lunghezza d'onda viaggia a una velocità diversa in questo materiale e quindi ha un indice di rifrazione diverso.

Gli indici di rifrazione delle guide d'onda ottiche in silicio possono essere "sintonizzati" mediante l'effetto termo-ottico, che comporta il passaggio di una corrente sulla guida d'onda per riscaldarla. Poiché il dispositivo deve funzionare a temperature elevate per ottenere un'alta risoluzione, questa tecnica diventa non lineare nel senso che le variazioni di temperatura sono correlate a variazioni sproporzionate dell'indice di rifrazione.

"In pratica, quello che succede quando un effetto termo-ottico viene applicato a uno spettrometro a infrarossi a base di silicio con fotonica integrata è che le operazioni matematiche di trasformata di Fourier utilizzate per convertire i dati dello spettro di radiazione raccolti producono risultati completamente errati, "Souza ha spiegato.

I ricercatori hanno superato queste sfide creando un metodo di calibrazione laser per quantificare e correggere le distorsioni causate dalla dispersione e dalla non linearità della guida d'onda di silicio. Come prova del concetto, hanno sviluppato un chip spettrometro FTIR da 1 mm² basato su procedure standard di fabbricazione della fotonica al silicio.

Il chip è stato testato in laboratorio, producendo uno spettro a banda larga con una risoluzione di 0,38 terahertz (THz), che è paragonabile alla risoluzione degli spettrometri portatili disponibili in commercio che operano nella stessa gamma di lunghezze d'onda, secondo i ricercatori. "Il dispositivo che abbiamo sviluppato è lungi dall'essere ottimizzato, ma raggiunge comunque risoluzioni paragonabili a quelle degli spettrometri portatili basati sull'ottica dello spazio libero disponibili oggi sul mercato, " ha detto Suza.

I ricercatori hanno ora in programma di progettare un dispositivo totalmente funzionale e integrato con fotorivelatori, sorgenti luminose e fibre ottiche. "Il nostro obiettivo è integrare la sorgente luminosa e il rivelatore dello spettrometro nella stessa piattaforma, " ha detto Suza.