Una nuova tecnica per monitorare continuamente sia le dimensioni che le proprietà ottiche delle singole particelle sospese nell'aria potrebbe offrire un modo migliore per monitorare l'inquinamento atmosferico. È particolarmente promettente per l'analisi del particolato fine che misura meno di 2,5 micron (PM2,5), che può raggiungere in profondità i polmoni e causare problemi di salute.

"L'inquinamento atmosferico è diventato un problema essenziale in molti paesi, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Shangran Xie del gruppo del Prof. Philip Russell presso il Max Planck Institute for the Science of Light in Germania. "Dal momento che la nostra configurazione è molto semplice e compatta, dovrebbe essere possibile trasformarlo in un dispositivo da tavolo per il monitoraggio continuo del PM2.5 nell'aria nelle aree urbane e nei siti industriali".

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express , i ricercatori descrivono come hanno usato le forze ottiche per catturare automaticamente le particelle nell'aria e spingerle in una fibra a nucleo cavo per l'analisi. L'approccio supera diversi limiti dei metodi esistenti offrendo un'elevata riproducibilità, risultati in tempo reale e una durata illimitata del dispositivo.

"La caratteristica più unica della nostra tecnica è che può contare il numero di particelle, che è correlato al livello di inquinamento, fornendo contemporaneamente informazioni dettagliate in tempo reale sulla distribuzione delle dimensioni delle particelle e sulla dispersione chimica, " ha affermato Xie. "Queste informazioni aggiuntive potrebbero essere utili per un monitoraggio rapido e continuo dell'inquinamento nelle aree sensibili, Per esempio."

Intrappolare le particelle con la luce

Per il nuovo approccio di analisi, le particelle sospese nell'aria vengono intrappolate all'interno di un raggio laser da forze ottiche e spinte in avanti dalla pressione di radiazione. La forza di intrappolamento è abbastanza forte da superare la forza gravitazionale che agisce su particelle molto piccole come il PM2,5 e allinea automaticamente le particelle con una fibra di cristallo fotonico a nucleo cavo. Queste fibre speciali presentano un nucleo centrale cavo e circondato da una microstruttura di vetro che confina la luce all'interno della fibra.

Una volta allineato, la luce laser spinge la particella nella fibra, causando la dispersione della luce laser all'interno della fibra e creando una riduzione rilevabile nella trasmissione della fibra. I ricercatori hanno sviluppato un nuovo algoritmo di elaborazione del segnale per recuperare informazioni utili dai dati sulla dispersione delle particelle in tempo reale. Dopo il rilevamento, la particella viene semplicemente espulsa dalla fibra senza degradare il dispositivo.

"Il segnale di trasmissione dalla fibra ci permette anche di misurare il tempo di volo, che è il tempo che la particella impiega per viaggiare attraverso la fibra, " disse Abhinav Sharma, il dottorando che lavora a questo progetto. "Il calo della trasmissione della fibra insieme alle informazioni sul tempo di volo ci consentono di calcolare in modo inequivocabile la dimensione delle particelle e l'indice di rifrazione. L'indice di rifrazione può aiutare a identificare il materiale delle particelle perché questa proprietà ottica è già nota per la maggior parte degli inquinanti comuni".

Misure di precisione

I ricercatori hanno testato la loro tecnica utilizzando particelle di polistirene e silice di diverse dimensioni. Hanno scoperto che il sistema poteva separare con precisione i tipi di particelle e misurare la particella di silice da 0,99 micron con una risoluzione di appena 18 nanometri.

I ricercatori hanno in programma di testare la capacità del sistema di analizzare le particelle che si trovano più comunemente nell'atmosfera. Vogliono anche dimostrare la capacità della tecnica di eseguire misurazioni in liquidi, che sarebbe utile per il monitoraggio dell'inquinamento delle acque. Hanno depositato un brevetto su questa tecnica e intendono continuare a sviluppare dispositivi prototipo, come quelli che potrebbero essere utilizzati per monitorare l'inquinamento atmosferico al di fuori del laboratorio.