Ha avuto l’onore della copertina sulla copertina della rivista Applied Physics Letters e la scelta è ampiamente motivata: il sensore fotoacustico messo a punto da ricercatori dell’Istituto nanoscienze (Nano-Cnr) e dell’Istituto di fotonica e nanotecnologie (Ifn-Cnr) del Cnr – il primo che opera nelle frequenze dei Terahertz, riesce a rivelare tracce infinitesimali di gas tossici trasformando luce laser intermittente in suoni che vengono captati da un minuscolo diapason al quarzo. Una tecnica innovativa, che ha già dato ottimi risultati e sta per essere ulteriormente potenziata. Ce ne parla Vincenzo Spagnolo, Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr e ricercatore presso il Dipartimento Interateneo di Fisica dell’Università e del Politecnico di Bari.
Come siete arrivati a realizzare il sensore fotoacustico? In che linea di ricerca si inserisce?
Il sensore realizzato sfrutta una delle tecniche più sensibili per la rivelazione di tracce gassose. La tecnica sviluppata dal mio gruppo di ricerca, prende invece spunto da un’idea nata nel 2002 presso i laboratori del Prof. Frank K. Tittel e del Prof. Robert Curl, premio Nobel per la chimica, presso la Rice University di Houston (Texas), in cui si sono sostituite celle acustiche e relativi microfoni – tipicamente utilizzati per spettroscopia fotoacustica – con un minuscolo diapason di quarzo, identico a quello presente in ogni orologio a quarzo. Nel sensore sviluppato le onde sonore onde mettono in vibrazione il minuscolo diapason di quarzo in proporzione alla concentrazione di molecole. A partire dal 2009, nell’ambito di progetti di ricerca industriale e progetti PON – aventi come scopo la realizzazione di sensori innovati per gas di scarico di motori diesel, tipo ossidi nitrici (NOx) ecc – mi sono recato per diversi mesi presso i laboratori della Rice, dove ho sviluppato questa tecnica, chiamata “spettroscopia fotoacustica a diapason di quarzo” (acronimo inglese QEPAS). Successivamente ho “portato” questa tecnica in Italia, presso i laboratori del Dipartimento Interateneo di Fisica di Bari, ottenendo risultati eccellenti, come il record mondiale di rivelazione, pari a 1 molecola su 20 miliardi (ovvero 50 parti per trilione) e la prima realizzazione di un sensore QEPAS utilizzante un laser con emissione nel range spettrale dei Terahertz.
Cosa si intende per spettroscopia fotoacustica?
La spettroscopia fotoacustica è una tecnica sensoristica basata sulla generazione di suono a seguito di assorbimento di luce. Il fenomeno fisico alla base della spettroscopia fotoacustica è quindi un processo di assorbimento di luce laser intermittente da parte del mezzo da rivelare, ad esempio molecole di un gas. Il mezzo illuminato con luce intermittente si scalda e raffredda ciclicamente, dando luogo a onde di pressione ovvero suono. Solitamente per rivelare questo suono si usano casse acustiche e microfono sensibili, il che rende la tecnica fortemente sensibile al rumore ambientale. Nella spettroscopia fotoacustica a diapason di quarzo, si utilizza un diapason di quarzo di dimensioni inferiori al centimetro. Questi diapason sono risuonatori acustici con risonanza a 32 kHz con elevatissimi fattori di merito. Sostanzialmente si generano onde sonore tra i due denti del diapason in una regione di spessore di circa 300 µm; queste onde deflettono i denti del diapason di quarzo, che essendo un materiale piezoelettrico genera delle cariche, che vengono misurate mediante un circuito elettrico. Il segnale elettrico rivelato risulta proporzionale alla concentrazione di molecole da rivelare. Il diapason è immune al rumore esterno, ma sensibile solo a suono che si genera tra i due denti, distanti poche centinaia di micrometri (300 µm nei diapason “standard”).
Perché la scelta dei Terahertz?
Utilizzando la radiazione Terahertz è possibile rivelare in maniera selettiva diversi agenti inquinanti, ma anche gas tossici e vapori di sostanze esplosive. Queste sostanze hanno infatti uno spettro di assorbimento ben specifico in questo range spettrale, una sorta di impronta digitale. Inoltre a differenza di quanto avviene in altri intervalli spettrali, esiste una corrispondenza univoca tra sostanze e relativo spettro di assorbimento, ovvero ogni sostanza ha un suo distinto set di frequenze di assorbimento. Un altro aspetto fondamentale è che nel tipo di tecnica sviluppata è il diapason stesso a fungere da rivelatore, eliminando quindi la necessità di usare i tipici rivelatori nei sensori usati per rivelare radiazione Terahertz costosi, ingombranti e che devono operare a temperature criogeniche.
Prevedete sviluppi ulteriori e miglioramenti dopo questo prototipo?
Per il prototipo abbiamo realizzato ad hoc un diapason di quarzo, la cui forma è identica a quella dei diapason standard, ma circa 7 volte più grande, in modo tale che la radiazione Terahertz potesse essere focalizzata tra i denti del diapason, distanti 800 µm, senza toccare il diapason stesso; cosa impossibile da realizzare con i diapason standard, perché lo spazio tra i due denti è confrontabile con la lunghezza d’onda della radiazione Terahertz (50-300 µm). A seguito di questa prima dimostrazione della tecnica, il passo successivo consisterà nell’utilizzo di laser più potenti e diapason con dimensioni e forma ottimizzate, in quanto sia il diapason standard che il diapason realizzato ad hoc, hanno una forma mirata all’ottimizzazione del loro utilizzo come misuratori del tempo e quindi funzionano a una frequenza ben determinata. L’ottimizzazione delle loro caratteristiche per rivelazioni di gas, richiede una forma e dimensioni diverse e quindi nel futuro prossimo lavoreremo all’ottimizzazione di questi parametri, al fine di ottenere sensori compatti, trasportabili ed economici in grado di rivelare in tempo reale molecole diluite decine di miliardi di volte, con svariati campi di applicazioni quali indagine ambientale e sicurezza.
