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Tecnologia di rilevamento delle «impronte digitali» molecolari che sta sulla punta di un dito

Gli spettrometri da tavolo a infrarossi medi (IR) vengono utilizzati ovunque nei laboratori per individuare strutture materiali nelle scienze biologiche, chimiche e fisiche. Una ricerca finanziata dall’UE apre la strada a un sistema compatto, portatile ed economico che consentirà l’uso sul campo e potenziali applicazioni dal monitoraggio ambientale alla sicurezza alimentare fino alle diagnosi mediche precoci.

Ricerca di base
Salute

La tecnologia per l’integrazione fotonica nei chip di silicio è maturata enormemente, ottenendo probabilmente i progressi più grandi visti nei settori delle telecomunicazioni e dell’IT. Il progetto INsPIRE, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER), ha portato questa tecnologia in una direzione completamente nuova con l’integrazione di componenti sensibili al medio infrarosso su un singolo chip per l’identificazione efficiente e portatile di molecole quali agenti patogeni in campioni di aria, cibo e medicinali.

Un set unico di funzioni ottiche integrate a banda larga

I metodi spettroscopici sfruttano l’assorbimento e il riflesso della luce dalla materia, ricercando modelli spettrali per individuare i materiali presenti in base ai loro spettri caratteristici. La gamma di lunghezze d’onda sensibili al medio infrarosso contiene la cosiddetta regione dell’impronta digitale (circa 2,5 - 10 µm) correlata all’allungamento, alla vibrazione e alla rotazione delle molecole. Lo schema di emissione spettrale, o «impronta molecolare», è unico per ogni specifica molecola, quindi la spettroscopia nel medio infrarosso può identificare con precisione le molecole in un campione. INsPIRE ha iniziato a sviluppare una nuova piattaforma di fotonica integrata al silicio ricca di germanio per il rilevamento di impronte digitali molecolari. Come spiega la ricercatrice principale, Delphine Marris-Morini, «essa sfrutta i vantaggi della tecnologia della fotonica del silicio, tra cui maturità, fabbricazione su larga scala e forte confinamento della luce. Sfrutta anche l’ampia finestra di trasparenza del germanio fino a 15 µm. Al confronto, l’ossido di silicio è trasparente fino a 3,8 µm e il silicio fino a 8 µm». Questa ampia finestra di trasparenza indica che i materiali ottici utilizzati non assorbono e riflettono la luce in questo intervallo, quindi non ne impediscono la propagazione. La progettazione monolitica della fotonica integrata riduce lo spazio richiesto, ottenendo un sistema di impronte digitali su chip che sta sulla punta di un dito.

Per chi dice di volere una rivoluzione

INsPIRE ha valutato le proprietà ottiche della piattaforma prevista e ha sviluppato una nuova serie di funzioni ottiche. Spostandosi in un territorio inesplorato, Marris-Morini ricorda: «Abbiamo realizzato che l’attrezzatura di cui avevamo bisogno per testare i nostri dispositivi a infrarossi medi era molto meno sviluppata rispetto alle lunghezze d’onda nel vicino IR, dove le applicazioni di telecomunicazione hanno stimolato l’innovazione. Dovevamo costruire il nostro rotatore di polarizzazione a banda larga e spesso abbiamo acquistato prototipi o dispositivi appena commercializzati». Alla fine, il team ha infatti cambiato il mondo della spettroscopia nel medio infrarosso, un’evoluzione risultante in diversi primati mondiali con strutture risonanti che operano nella gamma di lunghezze d’onda di 8 µm: risonatori Fabry-Perot basati su rete di Bragg integrato nel medio infrarosso, risonatori ad anello per circuiti integrati a banda larga e uno spettrometro a trasformata di Fourier al silicio-germanio nel medio infrarosso ad alta risoluzione. Sebbene all’inizio del progetto non fosse previsto lo sviluppo di modulatori ottici nel medio infrarosso, il team ha raggiunto l’ennesimo record, la prima modulazione ottica in un circuito fotonico nel medio infrarosso operante nell’intervallo di lunghezza d’onda di 5,5-11 µm.

Fotonica integrata nel medio infrarosso per un’applicazione diffusa

Marris-Morini riassume: «Superando le frontiere di ciò che era possibile, abbiamo costruito spettrometri nel medio infrarosso ad alta risoluzione su chip che lavorano in una banda di frequenza ultra-ampia (in via di principio 1,5-15 µm) su un circuito con una superficie inferiore a 1 centimetro quadrato». La tecnologia apre la strada a sensori portatili e a basso costo per applicazioni che vanno dal monitoraggio ambientale degli inquinanti in tempo reale alla sicurezza alimentare fino alle diagnosi mediche precoci.

Parole chiave

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