Utilizzando un cristallo fotonico ultrasensibile, i ricercatori del TU/e sono riusciti a rilevare singole particelle fino a 50 nanometri di diametro. La nuova ricerca è stata appena pubblicata sulla rivista Optica .
Cosa hanno in comune la lava vulcanica, il fumo degli incendi, i gas di scarico delle automobili e il toner della stampante? Sono tutte fonti di particelle ultrafini, particelle con un diametro inferiore a 100 nanometri, che possono comportare gravi rischi per la salute se inalate.
A causa delle loro piccole dimensioni, le nanoparticelle ultrafini sono difficili da rilevare e misurare senza apparecchiature costose e talvolta ingombranti. Per superare questi problemi, i nostri ricercatori hanno progettato un nuovo sensore con punta in fibra ultrasensibile in grado di rilevare singole particelle con diametri fino a 50 nanometri. In futuro, il nuovo sensore verrà utilizzato negli studi per controllare e valutare la qualità dell'aria interna nelle scuole.
Le nanoparticelle fanno parte integrante del mondo quotidiano che chiamiamo casa. Ad esempio, nei test medici, sono disponibili dispositivi per verificare la presenza di nanoparticelle come agenti patogeni e biomarcatori di malattie come il cancro.
E nello sviluppo dei farmaci, una serie di nanoparticelle vengono utilizzate per realizzare i sistemi di somministrazione dei farmaci del futuro.
Una classe di nanoparticelle che sta attirando molta attenzione a causa della sua connessione con l'aria che respiriamo è la particella ultrafine (UFP), una particella con un diametro inferiore a 100 nanometri (nm).
L'esposizione alle UFP, che possono essere presenti nel fumo, nei gas di scarico e persino nei toner delle stampanti, può comportare gravi rischi per la salute, soprattutto se queste particelle vengono inalate direttamente.
"Quando le UFP si depositano nei polmoni, possono rappresentare un grave rischio per la salute perché, una volta nei polmoni, possono assorbire le tossine che potremmo inspirare dall'aria intorno a noi. Di conseguenza, quelle tossine rimangono nel corpo", afferma Arthur Hendriks, Ph.D. ricercatore presso il Dipartimento di Fisica Applicata e Formazione Scientifica. "Pertanto, per prevenire ciò, sono necessari metodi accurati per rilevare le UFP in modo da monitorare la qualità dell'aria interna."
Ad esempio, la ricerca sulla qualità dell'aria interna è in prima linea nel progetto LEARN di Orizzonte Europa, che sta cercando di controllare e valutare la qualità dell'aria interna nelle scuole e di valutare l'impatto della qualità dell'aria sulla salute dei bambini, e parte di questo richiede metodi accurati per rilevare gli UFP.
Tuttavia, rilevare le UFP è più facile a dirsi che a farsi e, ironicamente, il rilevamento di particelle così piccole si basa sull'uso di apparecchiature grandi e costose.
"Grandi e costosi non sono la risposta. Abbiamo bisogno di dispositivi piccoli, compatti, precisi ed economici per facilitare il rilevamento delle UFP nelle fabbriche, negli ospedali, negli uffici e nelle scuole", osserva Hendriks.
Allora, qual è lo stato dell’arte adesso? "Esistono sensori basati su tecnologie a fibra ottica in grado di misurare liquidi e gas con buona precisione. Ma questi sensori non sono adatti per misurare particelle piccole come gli UFP e quindi la loro applicazione è limitata in questo senso", afferma Hendriks.
Le tecnologie "Lab-on-fiber" sono state utilizzate per rilevare cellule biologiche su scala micrometrica (1.000 volte più grande della scala nanometrica). "Ma questa tecnologia non è in grado di rilevare singole nanoparticelle di dimensioni simili alle UFP", afferma Hendriks.
Per soddisfare la richiesta di una nuova tecnologia di rilevamento UFP, Hendriks e i suoi collaboratori TU/e, tra cui Andrea Fiore, professore presso il Dipartimento di Fisica Applicata e Scienze della Formazione, hanno sviluppato un sensore con punta in fibra nanofotonica sensibile a piccoli cambiamenti nell'atmosfera. ambiente attorno al sensore, tanto da poter rilevare una singola nanoparticella delle stesse dimensioni degli UFP.
"Il design del nostro sensore è piccolo e compatto e, cosa importante, indica chiaramente quando si è verificato un rilevamento", afferma Hendriks.
Il lavoro dei sensori dei ricercatori si basa su un cristallo fotonico, una struttura periodica o ripetitiva in grado di riflettere la luce in tutte le direzioni. "Un difetto, o errore, viene quindi aggiunto al cristallo, che è noto come cavità del cristallo fotonico, o PhCC in breve", afferma Hendriks.
Un PhCC consente alla luce di rimanere intrappolata nel cristallo per un periodo prolungato. Hendriks afferma:"In sostanza, questo è qualcosa che chiamiamo fattore Q, che è una misura di quanto bene la luce può essere intrappolata nel difetto nel tempo. Nel nostro caso, la luce è confinata in un volume minuscolo, che è al di sotto 1 µm 3 . Questo è noto come volume modale e, per misurare nanoparticelle minuscole, deve essere molto piccolo."
I ricercatori sono riusciti a posizionare il PhCC sulla punta di una fibra utilizzando un metodo sviluppato dal gruppo di Andrea Fiore nel 2020. Quando una minuscola particella si avvicina al PhCC nel cristallo, disturba la cavità modificandone l'indice di rifrazione. "Quindi, la minuscola particella cambia la lunghezza d'onda della luce intrappolata nella cavità e noi misuriamo questo cambiamento."
La sfida principale affrontata dai ricercatori era che le cavità standard non possono essere lette utilizzando le fibre. Una cavità standard su una fibra non avrebbe funzionato poiché la luce proveniente dalla fibra non si accoppia alla cavità.
Lo scenario ideale per i ricercatori era ottimizzare i fattori chiave del dispositivo. Innanzitutto, era necessario un fattore Q elevato per consentire un tracciamento più accurato della lunghezza d'onda della cavità. In secondo luogo, era necessario un volume di modalità piccola in quanto ciò consente il rilevamento di particelle più piccole. In terzo luogo, una maggiore efficienza di accoppiamento era necessaria per garantire che la luce proveniente dalla fibra potesse accoppiarsi alla cavità e ritorno, rendendo possibile la misurazione della lunghezza d'onda della cavità attraverso la fibra.
Per risolvere tutte queste sfide, i ricercatori hanno utilizzato un metodo sviluppato dai ricercatori dell'Università di Stanford per ottimizzare contemporaneamente fattori come il fattore Q, il volume modale e l'efficienza di accoppiamento.
"La nostra configurazione fornisce una sensibilità senza precedenti rispetto alle tecnologie precedenti disponibili", sottolinea Hendriks. "Utilizzando il sensore, siamo stati in grado di rilevare in tempo reale singole UFP con diametri fino a 50 nanometri. Secondo me, è semplicemente sorprendente."
Il prossimo passo per Hendriks e i suoi colleghi è sospendere le cavità in modo che il fattore di qualità e l'efficienza di accoppiamento siano ancora più elevati, il che potrebbe portare a cavità nanofotoniche con le migliori caratteristiche della categoria, ma comunque leggibili attraverso la fibra.
"Il nostro approccio potrebbe essere utilizzato per rilevare particelle ancora più piccole. O anche in altre applicazioni come emettitori di fotoni singoli e sensori nano-optomeccanici", afferma Hendriks. "E un'ulteriore applicazione del nuovo approccio potrebbe anche essere il rilevamento di singole molecole biologiche."
Il prossimo passo per il sensore UFP sarà il progetto europeo LEARN, che mira a controllare e valutare la qualità dell'aria nelle scuole, e sarà realizzato in collaborazione con il gruppo Microsystems del TU/e.
Ulteriori informazioni: Arthur L. Hendriks et al, Rilevamento di singole nanoparticelle utilizzando la nanofotonica con punta in fibra, Optica (2024). DOI:10.1364/OTTICA.516575
Informazioni sul giornale: Ottica
Fornito dall'Università della Tecnologia di Eindhoven
