Più piccolo di una moneta

Oggi un telefono cellulare può svolgere ogni tipo di compito: Scattare foto e video, inviare messaggi, determinare la posizione corrente e, naturalmente, trasmettere telefonate. E forse un giorno questi versatili dispositivi saranno anche in grado di determinare il contenuto alcolico della birra o il grado di maturazione della frutta.

A prima vista, l'idea di utilizzare i telefoni cellulari per le analisi chimiche sembra azzardata. Dopo tutto, gli attuali spettrometri a infrarossi utilizzati per tali analisi sono di solito scatole del peso di diversi chilogrammi che difficilmente possono essere integrate in un dispositivo maneggevole. Tuttavia, i ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno compiuto un passo importante verso la realizzazione di questa visione: David Pohl e Marc Reig Escalé del gruppo di Rachel Grange, professoressa di nanomateriali ottici presso il Dipartimento di fisica, insieme ad altri colleghi, hanno sviluppato un chip di circa due centimetri quadrati che può essere utilizzato per analizzare la luce infrarossa allo stesso modo di uno spettrometro convenzionale.

Fibre ottiche al posto degli specchi

In uno spettrometro a infrarossi convenzionale, la luce incidente viene divisa in due percorsi e poi riflessa da due specchi. La luce riflessa viene ricombinata e misurata con un fotorivelatore. Se uno dei due specchi viene spostato, lo schema di interferenza può essere utilizzato per determinare la proporzione di diverse lunghezze d'onda nel segnale in ingresso. Poiché le sostanze chimiche producono lacune caratteristiche nello spettro delle onde infrarosse, lo spettro misurato può essere utilizzato per determinare quali sostanze sono presenti nel campione analizzato e in quale concentrazione.

Anche il mini-spettrometro sviluppato dai ricercatori dell'ETH si basa su questo principio di misurazione. Tuttavia, la luce incidente non viene più analizzata con l'aiuto di specchi mobili, ma con speciali guide di luce il cui indice di rifrazione ottico può essere modificato dall'esterno tramite un campo elettrico. "Variare l'indice di rifrazione ha un effetto simile a quello dello spostamento degli specchi", spiega David Pohl. "Ecco perché con questa disposizione possiamo anche risolvere lo spettro della luce incidente".

Strutturazione sofisticata

A seconda della configurazione della guida di luce, è possibile analizzare diverse aree dello spettro luminoso. "In linea di principio, il nostro spettrometro può essere utilizzato per analizzare non solo la luce infrarossa, ma anche la luce visibile, se la guida di luce è configurata di conseguenza", spiega Marc Reig Escalé. A differenza di altri spettrometri integrati, che possono coprire solo una gamma ristretta dello spettro luminoso, lo spettrometro sviluppato dal gruppo di Grange ha il grande vantaggio di poter analizzare un'ampia gamma di lunghezze d'onda.

Oltre alla compattezza, lo sviluppo dei fisici dell'ETH presenta altri due vantaggi: Lo spettrometro su chip deve essere calibrato una sola volta, mentre i dispositivi convenzionali devono essere calibrati più volte; e richiede una minore manutenzione, poiché non ci sono più parti mobili.

Per lo spettrometro, i ricercatori dell'ETH hanno utilizzato un materiale che viene impiegato anche come modulatore nell'industria delle telecomunicazioni. Il materiale utilizzato dal loro gruppo ha molte proprietà positive. Tuttavia, come guida della luce, intrappola la luce al suo interno. Ciò è sfavorevole, poiché una misurazione è possibile solo se una parte della luce combinata può penetrare all'esterno. Gli scienziati hanno quindi collegato alle guide luminose sottili strutture metalliche che diffondono la luce verso l'esterno. "Ci è voluto molto lavoro in camera bianca prima di riuscire a strutturare il materiale nella forma desiderata", spiega Grange.

Ideale per lo spazio

Tuttavia, prima che il mini spettrometro di oggi possa essere effettivamente integrato in un telefono cellulare o in un altro dispositivo elettronico, sono necessari ulteriori sviluppi tecnici. "Al momento, misuriamo il segnale con una fotocamera esterna", spiega Grange. "Quindi, se vogliamo avere un dispositivo compatto, dobbiamo ancora integrarlo".

In origine, la fisica non aveva puntato sulle analisi chimiche, ma su un'applicazione completamente diversa: in astronomia, gli spettrometri a infrarossi forniscono informazioni importanti su oggetti celesti lontani. Poiché l'atmosfera terrestre assorbe molta luce infrarossa, questi strumenti sono idealmente collocati su satelliti nello spazio. Naturalmente è un grande vantaggio avere a disposizione un dispositivo di misura compatto, leggero e stabile che può essere trasportato nello spazio a costi relativamente bassi.