I ricercatori dell'ETH hanno sviluppato uno spettrometro a infrarossi compatto. È abbastanza piccolo da stare su un chip di computer, ma può comunque aprire interessanti possibilità, nello spazio e nella vita di tutti i giorni.

Oggi, un telefono cellulare può fare quasi tutto:scattare foto o registrare video, Manda messaggi, determinare la sua posizione attuale, e naturalmente trasmettere conversazioni telefoniche. Con questi dispositivi versatili, potrebbe anche essere possibile accertare la gradazione alcolica di una birra o quanto è maturo un frutto.

A prima vista, l'idea di utilizzare i telefoni cellulari per le analisi chimiche sembra audace. Dopotutto, gli spettrometri a infrarossi utilizzati oggi per tali analisi pesano generalmente diversi chilogrammi e sono difficili da integrare in un dispositivo portatile. Ora i ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno compiuto un passo importante per trasformare questa visione in realtà. David Pohl e Marc Reig Escalé, nel gruppo capitanato da Rachel Grange, Professore di Nanomateriali Ottici presso il Dipartimento di Fisica, ha collaborato con altri colleghi per sviluppare un chip di circa 2 centimetri quadrati. Con esso, possono analizzare la luce infrarossa allo stesso modo di uno spettrometro convenzionale.

Guide d'onda invece di specchi

Uno spettrometro convenzionale divide la luce incidente in due percorsi prima di rifletterla su due specchi. I fasci di luce riflessa vengono ricombinati e misurati con un fotorivelatore. Lo spostamento di uno degli specchi crea uno schema di interferenza, che può essere utilizzato per determinare la proporzione di diverse lunghezze d'onda nel segnale in ingresso. Poiché le sostanze chimiche creano spazi caratteristici nello spettro infrarosso, gli scienziati possono utilizzare i modelli risultanti per identificare quali sostanze si trovano nel campione di prova e in quale concentrazione.

Questo stesso principio è alla base del mini-spettrometro sviluppato dai ricercatori dell'ETH. Però, nel loro dispositivo, la luce incidente non viene più analizzata con l'ausilio di specchi mobili; Invece, si avvale di speciali guide d'onda con indice di rifrazione ottico regolabile esternamente tramite un campo elettrico. "Variare l'indice di rifrazione ha un effetto simile a quello che succede quando muoviamo gli specchi, "Pohl spiega, "quindi questa configurazione ci consente di disperdere lo spettro della luce incidente allo stesso modo".

Un processo di strutturazione impegnativo

A seconda di come è configurata la guida d'onda, i ricercatori possono esaminare diverse parti dello spettro luminoso. "In teoria, il nostro spettrometro consente di misurare non solo la luce infrarossa, ma anche luce visibile, a condizione che la guida d'onda sia configurata correttamente, " dice Escalé. A differenza di altri spettrometri integrati che possono coprire solo una gamma ristretta dello spettro luminoso, il dispositivo sviluppato dal gruppo di Grange ha un grande vantaggio in quanto può facilmente analizzare un'ampia sezione dello spettro.

Oltre alle sue dimensioni compatte, l'innovazione dei fisici dell'ETH offre altri due vantaggi:lo "spettrometro su chip" deve essere calibrato una sola volta, rispetto ai dispositivi convenzionali che necessitano di ricalibrazione più e più volte; e poiché non contiene parti in movimento, richiede meno manutenzione.

Per il loro spettrometro, i ricercatori dell'ETH hanno impiegato un materiale che viene utilizzato anche come modulatore nell'industria delle telecomunicazioni. Questo materiale ha molte proprietà positive, ma come guida d'onda, confina la luce all'interno. Questo è tutt'altro che ideale, poiché una misurazione è possibile solo se parte della luce guidata può fuoriuscire. Per questa ragione, gli scienziati hanno attaccato delicate strutture metalliche alle guide d'onda che diffondono la luce all'esterno del dispositivo. "Ci è voluto molto lavoro in camera bianca prima di poter strutturare il materiale come volevamo, "Spiega Grange.

Perfetto per lo spazio

Fino a quando l'attuale mini-spettrometro non potrà essere effettivamente integrato in un dispositivo mobile o in un altro dispositivo elettronico, però, c'è ancora qualche progresso tecnologico da fare. "Al momento stiamo misurando il segnale con una telecamera esterna, "Grange dice, "quindi se vogliamo avere un dispositivo compatto, dobbiamo integrare anche questo".

In origine i fisici miravano, non alle analisi chimiche, ma in un'applicazione completamente diversa:in astronomia, gli spettrometri a infrarossi forniscono preziose informazioni su oggetti celesti distanti. Poiché l'atmosfera terrestre assorbe un'elevata quantità di luce infrarossa, sarebbe ideale posizionare questi strumenti su satelliti o telescopi nello spazio. Un compatto, un dispositivo di misurazione leggero e stabile che può essere lanciato nello spazio in modo relativamente economico offrirebbe naturalmente un vantaggio sostanziale.