Utilizzando microscopici risonatori di luce polimerica che si espandono in presenza di gas specifici, i ricercatori del Quantum Photonics Laboratory del MIT hanno sviluppato nuovi sensori ottici con livelli di rilevamento previsti nell'intervallo delle parti per miliardo. I sensori ottici sono ideali per rilevare le concentrazioni di gas in tracce grazie al loro elevato rapporto segnale-rumore, compatto, natura leggera, e immunità alle interferenze elettromagnetiche.

Sebbene altri sensori di gas ottici fossero stati sviluppati in precedenza, il team del MIT ha concepito un estremamente sensibile, modo compatto per rilevare quantità evanescenti di molecole bersaglio. Descrivono il loro nuovo approccio nella rivista Lettere di fisica applicata .

I ricercatori hanno fabbricato cavità di cristalli fotonici su scala di lunghezza d'onda da PMMA, un polimero economico e flessibile che si gonfia quando viene a contatto con un gas bersaglio. Il polimero è infuso con colorante fluorescente, che emette selettivamente alla lunghezza d'onda di risonanza della cavità attraverso un processo chiamato effetto Purcell. A questa risonanza, un colore specifico di luce si riflette avanti e indietro alcune migliaia di volte prima di fuoriuscire. Un filtro spettrale rileva questo piccolo cambiamento di colore, che può verificarsi anche a livello sub-nanometrico rigonfiamento della cavità, e a sua volta rivela la concentrazione di gas.

"Questi polimeri sono spesso usati come rivestimenti su altri materiali, quindi sono abbondanti e sicuri da maneggiare. A causa della loro deformazione in risposta a sostanze biochimiche, i sensori a cavità realizzati interamente con questo polimero portano a un sensore con una risposta più rapida e una sensibilità molto più elevata, " ha detto Hannah Clevenson. Clevenson è una studentessa di dottorato nel dipartimento di ingegneria elettrica e informatica del MIT, che ha guidato lo sforzo sperimentale nel laboratorio del ricercatore principale Dirk Englund.

Il PMMA può essere trattato per interagire in modo specifico con un'ampia gamma di diversi prodotti chimici target, rendendo il design del sensore del team del MIT altamente versatile. C'è una vasta gamma di potenziali applicazioni per il sensore, disse Clevenson, "dal rilevamento industriale in grandi impianti chimici per applicazioni di sicurezza, al rilevamento ambientale sul campo, alle applicazioni di sicurezza interna per il rilevamento di gas tossici, alle strutture mediche, dove il polimero potrebbe essere trattato per anticorpi specifici."

I sottili film di polimero PMMA, che hanno uno spessore di 400 nanometri, sono modellati con strutture lunghe 8-10 micrometri per 600 nanometri di larghezza e sospese nell'aria. In un esperimento, i film sono stati incorporati su carta velina, che ha permesso di sospendere l'80 percento dei sensori sopra le fessure d'aria nella carta. Circondare il film PMMA con l'aria è importante, Clevenson ha detto, sia perché consente al dispositivo di gonfiarsi quando esposto al gas target, e perché le proprietà ottiche dell'aria consentono di progettare il dispositivo per intrappolare la luce che viaggia nel film polimerico.

Il team ha scoperto che questi sensori sono facilmente riutilizzabili poiché il polimero si riduce alla sua lunghezza originale una volta rimosso il gas mirato.

L'attuale sensibilità sperimentale dei dispositivi è di 10 parti per milione, ma il team prevede che con ulteriore perfezionamento, potrebbero rilevare gas con livelli di concentrazione di una parte per miliardo.