Gli spettrometri sono strumenti scientifici dal potenziale enorme, capaci di svelare la composizione chimica e le proprietà fisiche dei materiali semplicemente analizzando il modo in cui interagiscono con la luce. Il loro impiego è vastissimo e spazia dalla diagnostica medica al monitoraggio ambientale, dal controllo qualità nella produzione industriale fino all'esplorazione spaziale. Tuttavia, nonostante i progressi tecnologici li abbiano resi sempre più compatti, la loro dimensione è rimasta un ostacolo insormontabile per un'integrazione su larga scala nei dispositivi di uso quotidiano. Almeno fino ad oggi. Un gruppo di ricercatori della North Carolina State University ha infatti presentato una svolta che potrebbe portare queste avanzate capacità di analisi direttamente nelle nostre tasche.
La vera sfida nella miniaturizzazione di questi strumenti non è mai stata banale. Il team di ricerca ha dovuto superare i limiti imposti da ottiche complesse e dalla necessità di alte tensioni elettriche, elementi che mal si conciliano con le dimensioni e i consumi energetici di un dispositivo portatile.
La soluzione è arrivata attraverso la progettazione di un fotorilevatore del tutto speciale, la cui sensibilità alla luce può essere finemente modulata applicando una tensione elettrica incredibilmente bassa, inferiore a un volt. Facendo variare questo voltaggio e registrando le risposte del sensore, un semplice programma computazionale è in grado di ricostruire con precisione l'intero spettro luminoso riflesso o trasmesso da un materiale. L'intero processo, sorprendentemente, richiede meno di un millisecondo.
Il risultato di questo lavoro è un prototipo funzionante grande appena pochi millimetri quadrati, così piccolo da poter essere inserito in uno smartphone o addirittura da funzionare come un singolo pixel all'interno di un sensore di immagine più grande. Questo piccolissimo strumento è in grado di rilevare un ampio spettro di luce, dall'ultravioletto fino al vicino infrarosso, con una rapidità e una sensibilità che, secondo i test di laboratorio, sono del tutto paragonabili a quelle degli spettrometri convenzionali, ben più ingombranti e costosi.
"Abbiamo creato uno spettrometro che funziona rapidamente, a basso voltaggio, e che è sensibile a un ampio spettro di luce", ha spiegato Brendan O'Connor, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso l'ateneo statunitense e autore corrispondente dello studio. L'obiettivo a lungo termine è chiaro: portare la spettroscopia al mercato di massa, rendendo possibili applicazioni oggi quasi inimmaginabili direttamente sul nostro cellulare. Questo importante passo avanti, i cui dettagli sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Device, è stato possibile grazie al sostegno della National Science Foundation e dell'Office of Naval Research.
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