Gli spettrometri sono strumenti affascinanti, quasi magici. Da quelli più semplici (ne potete costruire uno anche voi in pochi minuti) a quelli d’ultima generazione a bordo del telescopio spaziale James Webb, in grado di distinguere righe atomiche di quasar a 13 miliardi di anni luce da noi, separando la luce nelle sue componenti riescono a svelare numerose proprietà degli oggetti osservati. È grazie agli spettri da essi prodotti che possiamo ricostruire da remoto la composizione chimica di lontane stelle e le atmosfere d’altri pianeti. E sempre grazie a loro, sfruttando l’effetto Doppler, riusciamo persino a misurare a quale velocità una galassia si sta allontanando da noi.
Prototipo dello spettrometro in miniatura. Crediti: Brendan O’Connor.
Ora un team della North Carolina State University (Ncsu) è riuscito a costruire uno spettrometro single-pixel con prestazioni professionali – è in grado di misurare con rapidità e accuratezza le componenti della luce da 400 a 1000 nanometri, dunque dall’ultravioletto all’infrarosso – miniaturizzato al punto da poter essere integrato in un comune smartphone. Aprendo la strada alla possibilità di avere sempre in tasca uno strumento versatile a scopi diagnostici, per esempio, e per l’analisi ambientale o di materiali industriali e agroalimentari.
«Gli spettrometri sono strumenti fondamentali per aiutarci a comprendere le proprietà chimiche e fisiche di vari materiali in base a come la luce cambia quando interagisce con essi. Le loro applicazioni vanno dalla fabbricazione industriale alla diagnostica biomedica. Tuttavia, gli spettrometri più piccoli disponibili sul mercato sono ancora piuttosto ingombranti», ricorda Brendan O’Connor, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale alla Ncsu e coautore di un articolo, pubblicato la settimana scorsa su Device, che descrive il prototipo.
«Quello che abbiamo realizzato», continua O’Connor, «è uno spettrometro veloce, a bassa tensione e sensibile a un ampio spettro di luce. Il nostro prototipo dimostrativo misura pochi millimetri quadrati: potrebbe stare sul vostro telefono. Volendo, può essere ridotto alle dimensioni di un pixel».
L’elemento chiave del prototipo è un cosiddetto fotorivelatore organico in configurazione tandem (tandem organic photodetector) che sfrutta diversi materiali semiconduttori e che può essere sintonizzato su differenti lunghezze d’onda variando la tensione applicata, consentendo la ricostruzione dello spettro attraverso una semplice elaborazione computazionale.
Schema descrittivo e di funzionamento dello spettrometro miniaturizzato. In alto le strutture chimiche (riquadro A) e le corrispondenti curve di assorbimento (riquadro B) dei semiconduttori organici utilizzati nello spettrometro. Nel riquadro C l’architettura del fotorivelatore con i vari strati e nel riquadro D le loro responsività alla lunghezza d’onda, selezionabili agendo sulla tensione. Crediti: Harry M. Schrickx et al., Device, 2025
«Applicando rapidamente una sequenza di tensioni al fotorilevatore e misurando le lunghezze d’onda della luce raccolta a ciascuna tensione, si ottengono dati sufficienti affinché un semplice programma di calcolo possa ricreare una firma accurata della luce che attraversa o si riflette sul materiale bersaglio», spiega O’Connor. «La gamma di tensioni richieste è inferiore a un volt e l’intero processo può avvenire in meno di un millisecondo».
I precedenti tentativi di creare fotorilevatori miniaturizzati si basavano su ottiche complesse, utilizzavano tensioni elevate o non erano così sensibili a una gamma così ampia di lunghezze d’onda. Nel corso dei test del prototipo, gli autori dello studio hanno invece verificato che il loro spettrometro in miniatura è accurato quanto uno spettrometro convenzionale e ha una sensibilità paragonabile a quella dei dispositivi commerciali.
«Il nostro obiettivo a lungo termine è portare gli spettrometri sul mercato consumer», conclude O’Connor. «Le dimensioni e il fabbisogno energetico di questa tecnologia ne rendono possibile l’integrazione in uno smartphone, e riteniamo che ciò apra la strada ad alcune applicazioni interessanti. Dal punto di vista della ricerca, poi, consente un migliore accesso alla spettroscopia di imaging, alla spettroscopia microscopica e ad altre applicazioni che potrebbero essere utili in laboratorio».
Per saperne di più:
- Leggi su Device l’articolo “Single-pixel spectrometer based on a bias-tunable tandem organic photodetector”, di Harry M. Schrickx, Abdullah Al Shafe, Caleb Moore, Yusen Pei, Franky So, Michael Kudenov e Brendan T. O’Connor