Dal laser allo spaser
Il premio Max R?ssler di quest'anno sarà assegnato a David J. Norris. Il professore di Ingegneria dei materiali presso il Dipartimento di Ingegneria meccanica e dei processi svolge ricerche sulla nano-ottica all'interfaccia tra chimica, scienza dei materiali e ingegneria.
In occasione dell'evento di ringraziamento della Fondazione dell'ETH, giovedì scorso, il 47enne ha ricevuto il premio Max R?ssler, dotato di 200.000 franchi svizzeri, per le sue ricerche. Questo premio viene assegnato dal 2009 a promettenti ricercatori all'ETH di Zurigo che si trovano nella fase di espansione della loro carriera. David Norris è il primo rappresentante del Dipartimento di ingegneria meccanica e dei processi (D-MAVT) a ricevere l'ambito premio.
"Questo premio è un grande onore per me e anche una grande sorpresa", afferma il professore di ingegneria dei materiali e capo del laboratorio di ingegneria ottica dei materiali. "L'elenco dei precedenti vincitori del premio comprende grandi nomi".
Per Detlef Günther, Vicepresidente per la ricerca e le relazioni aziendali dell'ETH di Zurigo, Norris è una scelta eccellente. "? innovativo nelle sue ricerche, è un docente universitario stimolante e si impegna per l'ETH", afferma. E il donatore del premio Max R?ssler è d'accordo: "David Norris è un ricercatore solido con idee eccezionali e creative. Sono rimasto molto colpito dal suo lavoro nel campo delle nanotecnologie. La sua ricerca ha un grande potenziale per le applicazioni industriali e mediche".
Chimico interdisciplinare
David Norris non è un "classico" ingegnere meccanico. La sua ricerca si colloca all'interfaccia tra scienze ed ingegneria dei materiali, ottica e chimica fisica. ? specializzato nella produzione e nello studio di materiali ottici sintetici che non esistono in natura. Il suo obiettivo è trovare strutture che interagiscano con la luce in modo nuovo e speciale.
Norris e i suoi collaboratori hanno creato un film sottile di silicio con una struttura speciale che annulla la luce di una certa lunghezza d'onda al suo interno. "? stata una grande sfida progettare un materiale che avesse queste proprietà specifiche", spiega Norris. Per ottenere questo risultato, il silicio doveva essere lavorato in modo da creare pori di dimensioni nanometriche disposti regolarmente. Il modello doveva essere privo di difetti. La soluzione - "come chimico, cerco un approccio il più semplice possibile" - è stata alla fine tanto elegante quanto intelligente: il ricercatore e i suoi collaboratori hanno utilizzato minuscole perle di vetro che si sono disposte spontaneamente in un reticolo auto-organizzato. Gli spazi vuoti sono stati poi riempiti di silicio e le perle di vetro sono state incise. Questo materiale può essere utilizzato, ad esempio, per studiare nuovi fenomeni ottici.
Rane e passeri arcobaleno
L'americano lavora anche su materiali noti come punti quantici. Grazie a decenni di ricerca, questi materiali sono utilizzati nei televisori di ultima generazione per creare colori rossi e verdi sullo schermo. I collaboratori lavorano con punti di seleniuro di cadmio di dimensioni comprese tra 2 e 8 nanometri. Quando le particelle vengono eccitate con la luce blu, iniziano a brillare, con colori diversi a seconda delle dimensioni dei punti quantici.
Il professore dell'ETH ha condotto esperimenti notevoli con questi coloranti. I suoi collaboratori hanno iniettato questi coloranti fluorescenti in singole cellule di embrioni di rana in una fase iniziale dello sviluppo. I ricercatori hanno poi osservato come l'embrione si è sviluppato in un girino. A ogni divisione cellulare, i punti quantici iniettati sono stati divisi tra le cellule figlie. In base al diverso bagliore dei punti quantici, gli scienziati sono stati in grado di riconoscere da quale cellula originaria si è sviluppato il rispettivo tessuto o organo. "Tuttavia, queste 'rane arcobaleno' erano più che altro un'applicazione ludica per dimostrare il potenziale e il principio di funzionamento dei punti quantici nell'imaging biologico", spiega Norris. Poiché i punti quantici utilizzati contenevano cadmio tossico, per le applicazioni mediche è necessario utilizzare altri materiali.
Un altro punto focale della ricerca di Norris sono i cosiddetti plasmoni di superficie, un tipo speciale di onda luminosa che si verifica sulle superfici metalliche. Dotando la superficie metallica di strutture speciali, come punti o spigoli vivi, gli scienziati possono utilizzare un plasmone per concentrare la luce in piccoli volumi su scala nanometrica. Questo non è possibile con le lenti convenzionali. Le applicazioni includono celle solari, sensori e processi di imaging.
Uno degli obiettivi della ricerca di Norris in questo settore è un nuovo strumento chiamato "spaser". A questo scopo, il suo gruppo ha prodotto una minuscola cresta a cui sono attaccati due specchi d'argento. Gli specchi sono distanti solo 10 micrometri, il che corrisponde a un sesto del diametro di un capello. In collaborazione con il gruppo di ricerca all'ETH del professor Dimos Poulikakos del D-MAVT, i ricercatori hanno stampato con precisione i punti quantici sul bordo della cresta.
Il plasmon generato dall'eccitazione di queste strutture viaggia avanti e indietro con precisione lungo la cresta tra gli specchi. Norris e i suoi collaboratori hanno così compiuto il primo passo verso lo spaser, un nuovo tipo di nano-laser.
Nel 2013 Norris ha ricevuto un ERC Advanced Grant per questo progetto spaser. "Siamo solo all'inizio di questa ricerca, ma con i risultati ottenuti finora, un mio sogno di 20 anni fa sta cominciando a concretizzarsi", dice l'ETH. "Ora possiamo controllare molte proprietà dei materiali moderni. Possiamo anche combinarli in modi nuovi e non è sempre facile prevedere cosa accadrà. ? questo che rende la ricerca così eccitante".
Da Chicago a Zurigo
Norris è originario di Chicago. Ha iniziato la sua carriera scientifica con un Bachelor in chimica, conseguito presso l'Università di Chicago nel 1990. Per il dottorato in chimica fisica ha frequentato il MIT, dove ha conseguito il dottorato nel 1995. Dopo aver svolto attività di ricerca presso l'Università della California, San Diego, il NEC Research Institute di Princeton e l'Università del Minnesota, nel 2010 è stato nominato all'ETH di Zurigo, dove da allora svolge attività di ricerca e insegnamento.
Cerimonia di consegna del Premio R?ssler 2015
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Il vincitore del premio David Norris con l'atto consegnatogli dal presidente dell'ETH Lino Guzzella e da Max R?ssler (a sinistra). (Tutte le foto: Monika Estermann) -
Il Presidente dell'ETH, Lino Guzzella, rende omaggio al vincitore del premio. -
Max R?ssler si congratula con David Norris.
Premio Max R?ssler
Max R?ssler ha studiato matematica all'ETH di Zurigo e ha poi lavorato per oltre 20 anni per un'importante banca svizzera prima di ritirarsi dalla vita professionale. Nel 2008 ha lasciato in eredità dieci milioni di franchi alla ETH di Zurigo Foundation. Voleva utilizzare l'interesse generato da questa fortuna per istituire un premio annuale per professori dell'ETH particolarmente promettenti nella fase di espansione della loro carriera di ricerca. Il Premio R?ssler è il premio più ricco per la ricerca dell'ETH di Zurigo e viene consegnato ogni anno in occasione dell'evento di ringraziamento della ETH Zurich Foundation. David Norris è già il quinto vincitore del Premio R?ssler. L'anno scorso, Christian Wolfrum del Dipartimento di scienze e tecnologie della salute (D-HEST) ha ricevuto questo onore. Il premio è dotato di 200.000 franchi svizzeri.