Dai tessuti intelligenti alle auto a guida autonoma: i ricercatori stanno sviluppando nuovi tipi di rilevatori di radiazioni infrarosse più sostenibili, flessibili ed economici rispetto alle tecnologie precedenti. La chiave di tutto ciò non è (solo) la composizione del materiale, ma anche la sua dimensione.
L’ubiquità dei rivelatori a infrarossi
Cosa hanno in comune i rilevatori di movimento, le auto a guida autonoma, gli analizzatori chimici e i satelliti? Tutti contengono rilevatori di radiazioni infrarosse. Questi rilevatori sono generalmente costituiti da un materiale semiconduttore cristallino - il rilevatore vero e proprio, ad esempio in silicio - e dall’elettronica per la lettura dei dati. La produzione di questi materiali semiconduttori è spesso complessa, deve avvenire a temperature molto elevate e consuma molta energia. I ricercatori sono convinti che esista un modo più semplice. Un team guidato da Ivan Shorubalko del laboratorio "Transport at Nanoscale Interfaces" sta lavorando su rivelatori a infrarossi miniaturizzati realizzati con punti quantici colloidali.
I punti quantici: un’innovazione affascinante
La parola "punti quantici" non suona subito semplice alla maggior parte delle persone. Ma Shorubalko spiega: "Le proprietà di un materiale dipendono non solo dalla sua composizione, ma anche dalle sue dimensioni". Ciò significa che se si producono minuscole particelle di un materiale, queste possono avere proprietà diverse rispetto a pezzi più grandi dello stesso materiale. Il motivo è da ricercare negli effetti quantistici, da cui il nome "punti quantici".
Per la scoperta e la sintesi di queste affascinanti microparticelle, Moungi Bawendi, Louis E. Brus e Alexey Ekimov hanno ricevuto il premio Nobel per la chimica nel 2023. Brus e Alexey Ekimov hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica nel 2023. La scienza alla base dei punti quantici è quindi complessa. La semplicità, tuttavia, risiede nella loro elaborazione. I punti quantici colloidali sono presenti in una soluzione e possono essere applicati a diversi materiali mediante rivestimento rotazionale o stampa - più economici, più efficienti dal punto di vista energetico e più flessibili dei semiconduttori convenzionali.
I punti quantici hanno già una lunga tradizione all’Empa. Il gruppo di ricerca di Maksym Kovalenko nel laboratorio "Film sottili e fotovoltaico" lavora da oltre dieci anni alla sintesi di punti quantici da vari materiali. Shorubalko e il suo team utilizzano i punti quantici per produrre componenti elettronici funzionanti, i cosiddetti "dispositivi", ad esempio rivelatori a infrarossi. Insieme ad altri esperti dell’Empa, stanno anche ricercando metodi di lavorazione e altre applicazioni per le versatili minuscole particelle.
Tessuti intelligenti e altre applicazioni
Un esempio: nel 2023, i ricercatori sono riusciti a stampare un rivelatore a infrarossi fatto di punti quantici su una fibra ottica polimerica, cosa che non è possibile con i rivelatori a infrarossi convenzionali. Per ottenere questo risultato, lo specialista di componenti Shorubalko e il suo dottorando Gökhan Kara hanno collaborato non solo con l’esperto di materiali Kovalenko, ma anche con Yaroslav Romanyuk, esperto di stampa di materiali del laboratorio "Thin Films and Photovoltaics", e con l’esperto di fibre René Rossi del laboratorio "Biomimetic Membranes and Textiles". I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista "Advanced Materials Technologies" nel 2023.
Una possibile applicazione di questa tecnologia è rappresentata dai tessuti intelligenti. "Il mercato tessile globale è più grande di quello dell’elettronica di consumo", afferma Shorubalko. In particolare, i tessuti speciali potrebbero trarre vantaggio dai rilevatori flessibili a infrarossi, ad esempio gli indumenti funzionali per i vigili del fuoco o i tessuti medici per il monitoraggio dei pazienti. Tuttavia, Shorubalko vede anche un grande potenziale nella moda: "Se i rilevatori e gli altri componenti elettronici sono piccoli, economici e facili da produrre, possiamo anche funzionalizzare i nostri indumenti quotidiani con essi".
Poiché ogni rivelatore è costituito da numerosi punti quantici delle dimensioni di soli cinque nanometri, sono possibili anche rivelatori molto piccoli. In un articolo pubblicato di recente sulla rivista "ACS Photonics", Shorubalko, Kara e i loro co-ricercatori dell’Empa e del Politecnico di Zurigo descrivono un rivelatore a infrarossi più piccolo della lunghezza d’onda della radiazione che misura. Ciò consente ai ricercatori di registrare ulteriori proprietà della luce infrarossa, come la fase o l’interferenza, rendendo il rilevatore ancora più versatile.
In seguito, Shorubalko vuole migliorare la velocità del rilevatore. I rivelatori a infrarossi veloci sono necessari, ad esempio, per il lidar, la tecnologia di riconoscimento delle distanze basata sulla luce che aiuta le auto a guida autonoma a orientarsi. "I rivelatori a infrarossi basati sul silicio nei lidar misurano la luce infrarossa con una lunghezza d’onda di circa 905 nanometri", spiega il ricercatore. Il problema: sebbene questa lunghezza d’onda sia invisibile all’occhio umano, è comunque dannosa ad alta potenza. Per questo motivo, il laser del lidar può emettere solo una luce debole, che a sua volta limita la portata dell’intero sistema. Esistono rivelatori per lunghezze d’onda non pericolose, ma sono troppo costosi per essere utilizzati su larga scala. Un rivelatore veloce basato su punti quantici potrebbe offrire un’alternativa e consentire sistemi lidar potenti, innocui ed economici.
Tecnologia già presente sul mercato
A differenza di molte altre tecnologie e materiali innovativi, in questo caso non dovremo aspettare oltre. "Tali rivelatori a infrarossi a punti quantici sono già disponibili sul mercato", afferma Shorubalko. "Non ho mai visto una tecnologia che sia passata così rapidamente dal laboratorio all’applicazione pratica". Tuttavia, il lavoro dei ricercatori è tutt’altro che finito. Il compito è ora quello di rendere questa promettente tecnologia ancora più veloce, più economica, più flessibile e più sostenibile.
