Articoli di approfondimento - Nuovi sensori ottici "vedono" gli agenti chimici pericolosi
Sviluppati nell'ambito del progetto Dotsense *, i sensori si basano su un'applicazione innovativa di punti quantici e nanofili, ovvero semiconduttori minuscoli le cui caratteristiche sono migliaia di volte più piccole della larghezza di un capello umano. Composte dal sistema di semiconduttori del gruppo III-nitruri ((Al,In)GaN), ovvero da materiali di semiconduttori chimicamente stabili con eccellenti proprietà optoelettroniche, tali strutture presentano variazioni delle proprietà di fotoluminescenza se esposte persino a cambiamenti minimi dell'ambiente chimico. "A tutt'oggi, sono stati adottati numerosi approcci per la tecnologia di rilevamento, tra cui, ad esempio, l'utilizzo di nanofili come sensori chimici. Tuttavia, tali metodi si basano sulla misurazione della conduttività elettrica. Ciò significa che è necessario installare contatti elettrici e misurare la variazione della resistenza elettrica del nanofilo in vari ambienti chimici", spiega il dott. Martin Eickhoff, coordinatore del progetto Dotsense presso l'Università Justus Liebig a Giessen, in Germania. "Con il nostro approccio, ciò non è necessario, in quanto la nostra soluzione si basa su un'analisi completamente ottica". "Anziché erogare corrente elettrica nelle nanostrutture e misurarne la resistenza, il team del progetto Dotsense ha creato un sistema integrato di sensori che funziona esclusivamente con la luce. Un trasduttore ottico, formato da una matrice di un miliardo di "punti quantici" o "nanodischi" GaN o InGaN nei nanofili, è posizionato all'interno dell'ambiente gassoso o liquido da monitorare, mentre una luce di eccitazione viene emanata attraverso un substrato trasparente che funge contemporaneamente da finestra sigillante. Le proprietà di fotoluminescenza delle nanostrutture variano in base alle sostanze chimiche presenti nell'ambiente monitorato, determinando in tal modo la variazione dell'intensità della luce emessa dal trasduttore. La variazione può essere letta attraverso fotodetettori disponibili in commercio. "Traiamo vantaggio dalla sensibilità chimica e dal rapporto elevato tra superficie e volume delle nanostrutture senza la necessità di implementare una tecnologia di elaborazione più complicata: questo tipo di sistema di rilevamento richiede uno sforzo tecnologico decisamente minore in termini di sfruttamento e di utilizzo", osserva il dott. Eickhoff. L'approccio prevede numerosi vantaggi, tra cui ad esempio il fatto che è un sistema meno complesso, in quanto richiede solo l'utilizzo della luce e non sono necessari contatti elettrici e sistemi di misurazione. I sensori richiedono temperature operative molto più basse rispetto ai sistemi tradizionali. Inoltre, poiché tutto ciò che passa nell'ambiente monitorato non è altro che luce (e non elettricità), si tratta di una struttura molto più sicura, specialmente nei casi in cui il gas o il liquido è infiammabile, pressurizzato o esplosivo. EADS Innovation Works, un membro del consorzio Dotsense, è interessato all'utilizzo della tecnologia dei sensori optochimici, ad esempio nelle applicazioni aerospaziali, in cui la sicurezza e la solidità rappresentano fattori di estrema importanza. "Su un velivolo, tali sistemi potrebbero essere utilizzati per il monitoraggio della qualità dell'acqua, dei fluidi idraulici, delle perdite di gas o del carburante", osserva il dott. Eickhoff. "Quando abbiamo avviato il progetto, le applicazioni aeronautiche rappresentavano il nostro obiettivo principale. Tuttavia, ci siamo subito resi conto del fatto che vi sono ulteriori applicazioni per questa tecnologia in numerosi altri settori". "Una maggiore sensibilità rispetto ai sensori elettrici Sebbene l'obiettivo principale del progetto Dotsense, sostenuto da un finanziamento di 1,2 milioni di euro stanziati dalla Commissione europea, consistesse nello sviluppo di sensori chimici che non richiedono contatti elettrici, il team ha scoperto che in molti casi la propria soluzione completamente ottica è effettivamente più sensibile rispetto agli equivalenti elettrici. Su un velivolo, tali sistemi potrebbero essere utilizzati per il monitoraggio della qualità dell'acqua, dei fluidi idraulici, delle perdite di gas o del carburante", osserva il dott. Eickhoff. "Si trattava certamente di qualcosa che speravamo avvenisse, ma non potevamo esserne certi prima di condurre i test. Insieme agli altri vantaggi, questa tecnologia apre la strada ad un'intera gamma di utilizzi". Eickhoff si riferisce, ad esempio, al rilevamento di gas in ambienti industriali o ad allarmi antifumo domestici, alle applicazioni sanitarie e agli impieghi nel settore del trattamento dei prodotti alimentari per testare la composizione dei liquidi. "Esistono numerose applicazioni per questi tipi di sensori. In effetti, a molti settori industriali piace l'idea che non siano necessari né l'utilizzo di componenti elettrici né l'erogazione di corrente elettrica nell'ambiente di lavoro: i vantaggi chiave di tale sistema sono rappresentati da sicurezza e affidabilità", spiega il coordinatore del progetto Dotsense. Ciononostante, la tecnologia non è ancora pronta per essere immessa nel mercato. Il team dell'iniziativa è riuscito a superare sfide tecniche importanti, tra cui la spinta della luce emanata dai trasduttori nel campo visibile che verrà poi eccitata dai LED e rilevata mediante fotodetettori disponibili in commercio relativamente economici, controllando al contempo la crescita delle nanostrutture e comprendendo i processi fotoelettrici che si verificano sulla superficie delle nanostrutture in vari ambienti chimici. Tuttavia, è necessario condurre ulteriori ricerche, osserva il dott. Eickhoff. In parte tenendo a mente l'obiettivo, i membri del team hanno lanciato un progetto di follow-up nazionale chiamato "Sinomics" nel quale integreranno i LED e i fotodetettori con nanostrutture su chip allo scopo di sviluppare dispositivi innovativi per il rilevamento e l'individuazione del gas. "Confido nel fatto che nei prossimi anni questa tecnologia troverà numerose applicazioni e diventerà più economica e quindi più realizzabile dal punto di vista commerciale per l'avvio della produzione di sensori completamente ottici", afferma il dott. Eickhoff. Il progetto Dotsense ha ricevuto finanziamenti per la ricerca nell'ambito del Settimo programma quadro dell'Unione europea (7° PQ). Link utili: - Sito web "Group III-nitride quantum dots as optical transducers for chemical sensors" - Scheda informativa Dotsense su CORDIS Articoli correlati: - Un team finanziato dall'UE testa un nuovo materiale semiconduttore - Progetto europeo per rinforzare l'elettronica usata in ambienti estremi - Il progetto NEMSIC dell'UE mira ad una migliore tecnologia di rilevazione tramite sensori