Immagina di puntare il tuo smartphone su uno spuntino salato che hai trovato in fondo alla tua dispensa e di sapere subito se i suoi ingredienti sono diventati rancidi.

I dispositivi chiamati spettrometri possono rilevare sostanze chimiche pericolose sulla base di un'unica "impronta digitale" di luce assorbita ed emessa. Ma questi strumenti per dividere la luce sono stati a lungo sia ingombranti che costosi, impedendone l'utilizzo al di fuori del laboratorio.

Fino ad ora. Gli ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison hanno sviluppato uno spettrometro così piccolo e semplice che potrebbe integrarsi con la fotocamera di un tipico telefono cellulare senza sacrificare la precisione.

"Questo è un compatto, spettrometro a colpo singolo che offre alta risoluzione con bassi costi di fabbricazione, "dice Zhu Wang, che faceva parte del team di ingegneri elettrici che ha creato il dispositivo.

I ricercatori hanno pubblicato una descrizione dei dispositivi il 4 marzo 2019, nel diario Comunicazioni sulla natura .

I dispositivi del team hanno anche una capacità avanzata chiamata imaging iperspettrale, che raccoglie informazioni su ogni singolo pixel in un ordine di immagini per identificare materiali o rilevare oggetti specifici in uno sfondo complicato. Rilevamento iperspettrale, Per esempio, potrebbe essere utilizzato per rilevare le cuciture di minerali preziosi all'interno delle pareti rocciose o per identificare piante specifiche in un'area altamente vegetata.

L'impronta spettrale di ogni elemento include lunghezze d'onda della luce emesse o assorbite uniche e la capacità dello spettrometro di percepire quella luce è ciò che ha permesso ai ricercatori di fare qualsiasi cosa, dall'analisi della composizione di composti sconosciuti per rivelare la composizione di stelle lontane.

Gli spettrometri di solito si basano su prismi o reticoli per dividere la luce emessa da un oggetto in bande discrete, ciascuna corrispondente a una lunghezza d'onda diversa. Il fotorilevatore di una fotocamera può catturare e analizzare quelle bande; Per esempio, l'impronta spettrale dell'elemento sodio è costituita da due bande con lunghezze d'onda di 589 e 590 nanometri.

Gli occhi umani vedono la luce con una lunghezza d'onda di 590 nanometri come una sfumatura giallo-arancio. Le lunghezze d'onda più corte corrispondono al blu e al viola, mentre le lunghezze d'onda più lunghe appaiono in rosso. La luce del sole contiene un arcobaleno completo mescolato insieme, che vediamo come bianco.

Per risolvere la differenza tra una miscela di colori diversi, gli spettrometri di solito devono essere relativamente grandi con una lunga lunghezza del percorso affinché i raggi di luce possano viaggiare e separarsi.

Eppure il team ha creato piccoli spettrometri, misura solo 200 micrometri su ciascun lato (circa un ventesimo dell'area della punta di una penna a sfera) e abbastanza delicato da poter essere appoggiato direttamente su un sensore da una tipica fotocamera digitale.

Quella piccola dimensione è stata possibile perché i ricercatori hanno basato il loro dispositivo su materiali appositamente progettati che hanno costretto la luce in entrata a rimbalzare avanti e indietro diverse volte prima di raggiungere il sensore. Quei riflessi interni allungavano il percorso lungo il quale la luce viaggiava senza aggiungere volume, aumentare la risoluzione dei dispositivi.

E i dispositivi hanno eseguito l'imaging iperspettrale, risolvendo due immagini distinte (dei numeri cinque e nove) da un'istantanea di una proiezione sovrapposta che combinava la coppia in qualcosa di indistinguibile a occhio nudo.

Ora il team spera di aumentare la risoluzione spettrale del dispositivo, nonché la chiarezza e la nitidezza delle immagini catturate. Questi miglioramenti potrebbero aprire la strada a sensori ancora più avanzati.