Sviluppati nuovi sensori ottici super-sensibili, multiscala e biocompatibili che possono accedere ad ambienti fisici e biologici fino a oggi irraggiungibili

Un gruppo di ricerca guidato dagli ingegneri della Columbia University di New York ha sviluppato dei nuovi nanosensori ottici che promettono di rivoluzionare la robotica, la medicina e diversi settori industriali, dalla produzione di energia all’aerospazio.

I nuovi sensori di forza, basati su nanoparticelle drogate con ioni atomici di tulio, sono risultati cento volte più sensibili degli attuali nanosensori e hanno mostrato di poter operare su intervalli di grandezza molto più ampi di qualsiasi altro sensore ottico esistente.

Quest’ultima caratteristica, sottolineano i ricercatori, può avere un impatto rivoluzionario: nanosensori multiscala di questo tipo, infatti, permetteranno di mappare le forze in gioco in contesti reali che sono rimasti fino a oggi al di fuori della portata degli scienziati, trasformando per sempre il paradigma del sensing.

Nanosensori di forza completamente ottici: lo studio

I sensori di forza trovano largo impiego in diverse applicazioni: dalle bilance ai sedili delle automobili, dai dispositivi medici ai sistemi di controllo dei processi industriali, questi dispositivi sono sempre più imprescindibili. Sono infatti capaci di convertire forze meccaniche come il peso, la tensione, la pressione o la deformazione in segnali elettrici misurabili, fornendo così importati segnali di input che possono essere utilizzati da sistemi informatici e per il controllo di macchinari e processi.

Queste forze meccaniche sono una componente essenziale di molti processi fisici e biologici, perciò i sensori che le traducono in informazioni utili hanno trovato impiego nei settori più diversi, dalla robotica alla biofisica cellulare. I sensori di forza sono quelli che permettono a una mano robotica di avere il senso della presa, ma sono anche alla base del funzionamento dei dispositivi medici che permettono di rilevare in tempo reale la variazione di alcuni parametri vitali come la pressione sanguigna.

In questo contesto, i sensori ottici risultano particolarmente promettenti in quanto permettono di monitorare le variazioni meccaniche senza bisogno di alcun contatto, consentendo quindi di effettuare le misurazioni a distanza – una caratteristica cruciale per le applicazioni di robotica e medicina, ma anche per la manutenzione preventiva dei macchinari e i viaggi spaziali.

In un articolo pubblicato pochi giorni fa su “Nature”, un team guidato dai ricercatori della Columbia Engineering illustra dei nuovi sensori di forza ottici su scala nanometrica che promettono di rivoluzionare in breve tempo diverse tecnologie: i nuovi nanosensori, infatti, consentiranno di mappare in modo “sensibile e dinamico” quello che avviene in ambienti reali che sono attualmente insondabili.

Sensori multiscala per le più diverse applicazioni

La caratteristica più impressionante dei sensori sviluppati dal team guidato da Jim Schuck e Natalie Fardian-Melamed della Columbia University è il loro intervallo operativo: oltre a mostrare una sensibilità 100 volte superiore a quella delle nanoparticelle utilizzate negli attuali sensori, il nuovo sistema copre un intervallo di grandezza molto più ampio rispetto a quello di qualsiasi altro nanosensore ottico (da 10 a 100 volte, spiegano i ricercatori).

Ciò significa che lo stesso sensore, per la prima volta, può operare ad alta risoluzione in funzione multiscala, cioè lavorando su ordini di grandezza diversi: i nuovi sensori potranno quindi essere utilizzati per lo studio continuo delle forze a livello subcellulare e dell’intero sistema, fornendo un nuovo potente strumento per l’analisi di sistemi ingegnerizzati e biologici.

“Prevediamo che la nostra scoperta rivoluzionerà la sensibilità e la gamma dinamica ottenibile con i sensori ottici di forza e avrà un impatto immediato sulle tecnologie in settori che vanno dalla robotica alla biofisica cellulare, dalla medicina ai viaggi spaziali”,

spiega il professor Jim Schuck. I nuovi sensori potranno trovare applicazione in sistemi complessi come embrioni in via di sviluppo, batterie e sistemi nanoelettromeccanici. Fino ad oggi, spiegano i ricercatori, nessun sensore individuale non invasivo era stato in grado di effettuare misurazioni nell’ampio intervallo dinamico necessario per comprendere sistemi di questa complessità.

Nanoparticelle drogate e valanghe di fotoni

Il team è riuscito a costruire questi nanosensori sfruttando l’effetto valanga dei fotoni innescato da alcuni speciali nanocristalli, noti come Avalanching Nanoparticles (ANP), sviluppati per la prima volta proprio dal team del professor Schuck.

In queste nanoparticelle, l’assorbimento di un singolo fotone innesca una reazione di eventi “a valanga” che alla fine porta all’emissione di molti fotoni. Si tratta di un processo estremamente non lineare e volatile, che Schuck – giocando con la parola “valanga” – ama descrivere come “ripidamente non lineare”.

I componenti otticamente attivi all’interno dei nanocristalli descritti nell’ultimo studio sono degli ioni atomici di tulio, il più raro dei lantanoidi (gli elementi che insieme a scandio e ittrio costituiscono le cosiddette terre rare).

I ricercatori hanno scoperto che l’effetto valanga dei fotoni è estremamente sensibile ad alcuni fattori, tra cui la distanza tra i diversi ioni di tulio. Tenendo conto di questa acquisizione, hanno quindi toccato alcune delle loro nanoparticelle drogate con la punta di un microscopio a forza atomica, scoprendo che queste minime forze potevano influenzare l’avalanching in maniera molto più evidente di quel che si aspettavano.

“L’abbiamo scoperto quasi per caso: sospettavamo che queste nanoparticelle fossero sensibili alla forza, così abbiamo misurato la loro emissione mentre le toccavamo. E si sono rivelate molto più sensibili del previsto! All’inizio non ci credevamo, pensavamo che la punta avesse un effetto diverso. Ma poi Natalie ha effettuato tutte le misurazioni di controllo e ha scoperto che la risposta era tutta dovuta a questa estrema sensibilità alla forza”,

spiega Schuck.

Nanosensori unici: ultra-sensibili e biocompatibili

Una volta scoperta la reale sensibilità delle ANP, il team ha quindi progettato nuove nanoparticelle che rispondessero alle forze in modi diversi. In un progetto, la nanoparticella cambia il colore della sua luminescenza a seconda della forza applicata. In un altro, sono state sviluppate nanoparticelle che non moltiplicano i fotoni in condizioni ambientali stabili, ma che iniziano a reagire quando viene applicata una forza.

I sensori di forza a nanoparticelle drogate possono rilevare forze che vanno dai piconewton ai micronewton con una gamma dinamica che copre oltre quattro ordini di grandezza, ma hanno anche un’altra caratteristica molto promettente. Come spiega Natalie Fardian-Melamed,

“Ciò che rende unici questi sensori di forza, oltre alle loro impareggiabili capacità di rilevamento su più scale, è che funzionano con una luce infrarossa benigna, biocompatibile e profondamente penetrante. Questo permette di scrutare in profondità i vari sistemi tecnologici e fisiologici e di monitorarne la salute da remoto. Consentendo il rilevamento precoce di malfunzionamenti o guasti in questi sistemi, questi sensori avranno un profondo impatto su campi che vanno dalla salute umana all’energia e alla sostenibilità”.

Il team di ricerca punta ad applicare questi nuovi sensori a un sistema in cui possano avere un impatto significativo, come il monitoraggio degli embrioni in via di sviluppo. Quanto alla progettazione dei sensori, l’obiettivo è quello di dotare i nanocristalli di una funzione di autocalibrazione che permetta a ogni cristallo di funzionare da sensore autonomo. Secondo Schuck, questo potrebbe essere realizzato con l’aggiunta di un altro guscio sottile durante la sintesi dei nanocristalli.

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