Gli scienziati hanno creato un chip dello spettrometro che si adatta a un granello di sabbia.
Cos’è uno spettrometro?
Uno spettrometro è uno strumento scientifico che analizza i materiali studiando come interagiscono con la luce. Quando una sorgente luminosa illumina una sostanza, questa sostanza assorbe parte di quella luce ed emette uno spettro caratteristico. Gli scienziati possono studiare questo spettro per identificare i componenti chimici di questa sostanza.
Il rilevamento spettrale può diagnosticare malattie, valutare la salute delle colture in un campo o misurare la qualità del suolo. Gli spettrometri tradizionali dividono la luce in un arcobaleno di colori utilizzando un prisma o un reticolo, quindi misurano la luminosità di ciascun colore. Poiché la luce deve percorrere una certa distanza per separarsi correttamente, gli spettrometri tradizionali tendono ad essere grandi e costosi.
Cos’è un chip spettrometro e come funziona?
Un chip spettrometrico è una versione miniaturizzata di uno spettrometro tradizionale. Gli ingegneri costruiscono tutti i componenti di rilevamento della luce direttamente su un minuscolo pezzo di silicio. Questo chip svolge lo stesso compito principale di uno strumento da laboratorio a grandezza naturale – identifica la composizione chimica di un materiale analizzando la luce – ma lo fa senza parti ottiche ingombranti.
Uno spettrometro tradizionale diffonde fisicamente la luce in uno spettro, utilizzando un prisma di vetro o un reticolo di diffrazione. Un chip spettrometrico adotta un approccio diverso. Invece di separare fisicamente la luce, questo chip utilizza una serie di piccoli fotorilevatori. Ciascun rilevatore risponde a una gamma di lunghezze d’onda leggermente diversa. Ogni pixel nella matrice di sensori riceve selettivamente la luce e genera segnali filtrati spettralmente a cui può accedere un controller.
I segnali provenienti dai rilevatori sono codificati e sovrapposti: nessun rilevatore singolo fornisce una lettura pulita di un colore. Un’unità di elaborazione – spesso alimentata dall’apprendimento automatico – analizza quindi tutti i segnali insieme e ricostruisce computazionalmente l’intero spettro. Questo approccio sostituisce il lavoro fisico di un prisma con un calcolo matematico.
Il risultato è un dispositivo che può stare sulla punta di un dito e tuttavia identificare sostanze chimiche, rilevare marcatori di malattie o valutare la qualità del cibo analizzando la luce riflessa o trasmessa.
La spinta a rendere gli spettrometri più piccoli
Per anni, gli scienziati hanno lavorato per ridurre le dimensioni degli spettrometri. La riduzione delle dimensioni è passata dagli strumenti da banco con un ingombro di 200 cm² ai microspettrometri portatili con un ingombro di 40 mm². Ogni riduzione delle dimensioni ha comportato anche una riduzione dei costi, rendendo questa tecnologia più accessibile.
Un gruppo di ricerca dell’Università del Michigan ha sviluppato uno spettrometro miniaturizzato, sottilissimo, di soli 0,16 mm², in grado di resistere ad ambienti difficili. I ricercatori hanno progettato questo dispositivo per analizzare il sudore di un atleta attraverso un cerotto indossabile sulla pelle. Questi sforzi hanno dimostrato che era possibile realizzare spettrometri più piccoli, ma i ricercatori volevano andare ancora oltre.
Il nuovo minuscolo chip della UC Davis
Ora, i ricercatori dell’Università della California Davis (UC Davis) hanno costruito un chip spettrometrico che si avvicina alle dimensioni di un granello di sabbia. Questo chip misura meno di mezzo millimetro quadrato. Questo team, guidato dal professor Saif Islam, ha pubblicato i risultati sulla rivista Advanced Photonics.
“Volevamo togliere questo potere dal laboratorio e metterlo in tasca”, ha detto lo scienziato post-dottorato Ahasan Ahamed, il primo autore dell’articolo.
Come funziona il chip dell’UC Davis
Il chip della UC Davis non utilizza un prisma o un reticolo per separare la luce. Si basa invece su un piccolo insieme di sensori combinati con l’intelligenza artificiale (AI).
Questo chip utilizza sedici fotorilevatori al silicio, ciascun fotorilevatore è sensibile a una diversa lunghezza d’onda della luce. Ciascun fotorivelatore cattura solo una parte dell’informazione spettrale. Insieme, i sedici fotorilevatori raccolgono dati sufficienti affinché una rete neurale possa ricostruire l’intero spettro luminoso.
Pensa a questi sedici fotorilevatori come a un gruppo di assaggiatori che assaggiano un piatto complesso. Nessun singolo assaggiatore identifica ogni ingrediente, ma insieme forniscono informazioni sufficienti affinché un esperto qualificato possa nominare la ricetta. L’intelligenza artificiale svolge il ruolo di quell’esperto.
Il chip potenziato dall’intelligenza artificiale è in grado di mantenere la chiarezza del segnale anche in presenza di significative interferenze elettriche: una sfida importante nell’elettronica portatile a basso costo.
Estendere la sensibilità all’infrarosso
Una sfida tecnica chiave è stata estendere la sensibilità del chip oltre la luce visibile. I sensori al silicio funzionano bene per le lunghezze d’onda visibili, ma normalmente hanno difficoltà a rilevare la luce del vicino infrarosso (NIR), lunghezze d’onda fino a 1100 nm. La luce NIR è importante per le applicazioni mediche perché può penetrare nei tessuti umani più profondamente di quanto possa fare la luce visibile.
Il team della UC Davis ha risolto questo problema strutturando la superficie dei rilevatori di silicio con strutture superficiali che intrappolano i fotoni. Il loro chip copre un ampio intervallo spettrale da 300 nm a 1100 nm, paragonabile alle dimensioni di un granello di sabbia. Le superfici strutturate diffondono ripetutamente i fotoni NIR all’interno dello strato di silicio, aumentando la possibilità che il materiale li assorba.
Misurazione di eventi luminosi ultraveloci
Oltre a misurare il colore, questo chip può anche monitorare la durata della sopravvivenza dei fotoni all’interno di un materiale. Questo chip incorpora sensori ad alta velocità che misurano la durata dei fotoni con grande precisione. Questa capacità consente al loro dispositivo di rilevare interazioni ultraveloci tra luce e materia che spesso gli spettrometri tradizionali non riescono a cogliere.
Per quali compiti gli scienziati utilizzano questo chip?
Il design in miniatura apre molte applicazioni pratiche.
Medicinale: I medici potrebbero utilizzare piccoli dispositivi portatili per diagnosticare le malattie sul posto di cura. Un monitor indossabile con questo chip potrebbe monitorare la chimica del sangue di un paziente attraverso la pelle in tempo reale.
Sicurezza alimentare: Questa tecnologia potrebbe valutare la salute delle colture in un campo o misurare la qualità del suolo. I consumatori o i produttori alimentari potrebbero eseguire la scansione dei prodotti per verificarne la freschezza o rilevare contaminanti senza inviare campioni a un laboratorio.
Ambiente: I ricercatori hanno inoltre sviluppato sistemi compatti di spettrometro su chip iperspettrale per l’osservazione della Terra, consentendo un’analisi precisa delle condizioni delle piante e del suolo. Un chip così piccolo potrebbe essere inserito in droni o satelliti per il monitoraggio ambientale su vasta area.
Dispositivi di uso quotidiano: “Stiamo aprendo la strada a un futuro in cui il tuo orologio o telefono non si limiterà a scattare foto ma analizzerà il mondo chimico che ti circonda”, ha affermato il team della UC Davis.
La combinazione di intelligenza artificiale e hardware miniaturizzato è l’intuizione chiave alla base di questo progresso. Il chip non ha bisogno di componenti ottici ingombranti perché la rete neurale svolge il lavoro computazionale che l’ottica svolgeva fisicamente. Questo cambiamento di approccio – dalla separazione dell’hardware alla ricostruzione del software – potrebbe definire la prossima generazione di dispositivi di rilevamento.
