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Articoli del CER - Un tuffo nel mondo del "molto piccolo"

Nanotecnologia: scienza che si occupa della produzione e della manipolazione del "molto piccolo", con effetti potenzialmente rilevanti sulla nostra vita. Grazie al contributo dei finanziamenti del CER, il dott. Davide Iannuzzi sta costruendo componenti mobili microscopici sulle estremità di fibre ottiche, che consentono di creare strumenti qualitativamente migliori per l'osservazione e la misurazione su nanoscala.

Salute

Pensiamo a una piscina circolare con un trampolino sul bordo. Immaginiamo ora che questa "piscina" rappresenti l'estremità circolare di una fibra ottica e che il "trampolino" abbia uno spessore inferiore a quello di un capello umano. Questo esempio illustra esattamente la creazione del dott. Iannuzzi, chiamata "leva a sbalzo sull'estremità della fibra", che potrebbe rivoluzionare numerose aree di ricerca. Estremità della fibra Il progetto ha preso vita dagli esperimenti condotti dal dott. Iannuzzi nel campo della fisica fondamentale, finalizzati alla misurazione delle forze causate dagli effetti quantici, tra cui l'"effetto Casimir". Una normale apparecchiatura emette un raggio laser su una minuscola leva a sbalzo. La forza piega la leva a sbalzo e può essere quantificata attraverso la misurazione della flessione in base alla deviazione della luce. "Gli strumenti disponibili in commercio causavano però effetti spuri", spiega il dott. Iannuzzi. "Il fuoco del laser era troppo ampio e la luce che non raggiungeva la leva avrebbe causato problemi a livello delle misurazioni molto sensibili e su piccola scala che stavamo tentando di condurre". Il ricercatore ha trovato quindi la risposta a questo problema: "Perché non costruire la leva a sbalzo sull'estremità di una fibra ottica?" Il team ha utilizzato le stesse fibre ottiche impiegate nel settore delle telecomunicazioni, ovvero fibre di vetro dal diametro di 0,1 mm in grado di trasmettere un fascio di luce di 0,01 mm al suo interno. La luce del laser viene irradiata precisamente sulla leva a sbalzo ed è riflessa sulla fibra in modo che la quantità di movimento venga calcolata in base all'interferenza tra la luce emessa e quella di ritorno. Grazie a una sovvenzione Starting Grant del CER del 2007, "siamo riusciti a ottimizzare questa tecnologia, brevettando un metodo di fabbricazione", spiega il dott. Iannuzzi. "Siamo in grado di fabbricare dispositivi microlavorati sulle fibre di vetro utilizzando le tecniche applicate ai sistemi microelettromeccanici (MEMS) in silicio", continua. Uno dei tanti utilizzi è rappresentato dalla microscopia a forza atomica (MFA), in base alla quale è possibile esercitare una pressione sull'estremità appuntita di una leva a sbalzo, il cui spostamento su una superficie sarà simile a quello "della puntina di un giradischi". Registrando la posizione e la flessione della "puntina", è possibile creare un'immagine della superficie con una risoluzione nanometrica: un risultato decisamente migliore di quello ottenuto utilizzando microscopi ottici. Normalmente queste attrezzature sono voluminose, costose e richiedono un allineamento complesso dei componenti meccanici e ottici, "invece la tecnologia basata sull'utilizzo delle estremità delle fibre non richiede allineamenti", afferma il dott. Iannuzzi. Sebbene la realizzazione del sensore sia più costosa, i microscopi sono più economici e presentano dimensioni inferiori. "Abbiamo già creato un modello da tavolo e potrebbero addirittura essere portatili", dice lo scienziato. Poiché la leva a sbalzo si trova sull'estremità di una lunga fibra ottica, il suo utilizzo è ideale per gli ambienti più difficili, in cui i dispositivi elettronici sono tenuti a debita distanza. Lo strumento può anche essere utilizzato in spazi angusti e ristretti: "Il nostro sogno consiste nell'utilizzo del dispositivo in vari ambiti, tra cui la chirurgia minimamente invasiva". Start-up e spin-off Grazie al contributo di una nuova sovvenzione Proof of Concept del CER, il team mira ora a dimostrare l'adattabilità del processo alla produzione di enormi volumi. "Si tratterebbe di un risultato straordinario non solo per il gruppo di ricerca ma anche per Optics11, la nostra start-up specializzata nella commercializzazione di tecnologie basate sulle estremità delle fibre". Persino il nuovo design comporta vantaggi che il team non ha voluto anticipare. "Oggi possiamo fabbricare una leva a sbalzo più corta che determina un allineamento perfetto dell'estremità al fascio di luce", spiega il dott. Iannuzzi. "Potremmo misurare la posizione della leva a sbalzo con un colore e l'emissione del fascio di luce sullo stesso punto del campione con un altro". Il fascio di luce potrebbe generare fluorescenza nei materiali oggetto di studio, consentendoci di raccogliere dati chimici dallo stesso punto sottoposto a scansione. La leva a sbalzo sull'estremità della fibra garantisce inoltre una maggiore sensibilità e precisione rispetto alle tecniche tradizionali. "Siamo persino in grado di individuare il livello di rigidità e di distinguere una superficie rigida da una morbida", afferma il dott. Iannuzzi. Ciò consentirebbe ai ricercatori di esaminare le proprietà fisiche delle cellule biologiche, esaminando la rigidità della parete cellulare, che rappresenta un possibile indicatore delle condizioni di salute della cellula. Le applicazioni biofisiche potrebbero condurre ad una maggiore comprensione delle proprietà fondamentali delle cellule che si rivelerebbe utile in ambito medico e chirurgico. - Fonte: dott. Davide Iannuzzi - Coordinatore del progetto: Università VU Amsterdam, Paesi Bassi - Titolo del progetto: Fiber-top micromachined devices: ideas on the tip of a fiber - Acronimo del progetto: FTMEMS - Sito web del dott. Davide Iannuzzi - Programma di finanziamento del 7° PQ (Bando CER): Starting Grant 2007 & Proof of Concept 2011 - Finanziamento CE: 1,8 milioni di euro - Durata del progetto: cinque anni Glossario MFA - microscopia a forza atomica: tipo di microscopia a scansione di sonda a elevatissima risoluzione in grado di raggiungere una risoluzione decisamente maggiore rispetto ai microscopi ottici mediante l'utilizzo di una sonda fisica al posto della luce. Effetto Casimir: forza, spiegata dalla teoria quantistica, in grado, tra le altre cose, di produrre un'attrazione o una repulsione tra due piastre non cariche molto vicine. Leva a sbalzo: giogo o leva a strapiombo sostenuto solo da un'estremità. Fluorescenza: emissione di luce o luminescenza creata da materiali che assorbono energia dalla luce o da un'altra forma di radiazione elettromagnetica. MEMS - sistemi microelettromeccanici: dispositivi meccanici molto piccoli e controllati elettronicamente, generalmente fabbricati mediante l'utilizzo di tecniche di deposito simili a quelle dei microchip dei semiconduttori. Fibra ottica: fibre flessibili e trasparenti composte da ferro e utilizzate nel settore delle telecomunicazioni in virtù della loro capacità di trasmissione della luce tra le due estremità della fibra.