Un sensore che riesce a distinguere una fiamma dalla luce del sole. Un sistema portatile capace di rilevare anidride solforosa sulle fumarole dell’Etna. Dispositivi che “leggono” lo stato di salute delle piante prima ancora che il danno sia visibile a occhio umano.
Quando Antonella Sciuto, fisica e ricercatrice del CNR-IMM di Catania, parla di “occhi artificiali”, il riferimento non è alla fantascienza, ma a una delle frontiere più avanzate della microelettronica applicata al monitoraggio ambientale, alla sicurezza e all’agricoltura di precisione.
Sciuto lavora allo sviluppo di sensori ottici innovativi basati su semiconduttori come il carburo di silicio, materiali capaci di rilevare radiazioni invisibili all’occhio umano, in particolare nel range ultravioletto.
Oltre la vista umana
«Un occhio artificiale è un dispositivo microelettronico che risponde alla luce, - spiega -, ma rispetto all’occhio umano può vedere anche dove noi non siamo sensibili, come nell’ultravioletto».
Alla base di questi dispositivi c’è la fisica dei semiconduttori: materiali che, in determinate condizioni, possono trasformare la luce in segnale elettrico. È il principio che rende possibile la realizzazione dei sensori ottici.
«Quando un fotone possiede energia sufficiente, libera delle cariche all’interno del semiconduttore. Se applichiamo un campo elettrico, quelle cariche generano una corrente che possiamo misurare. Più luce arriva, maggiore sarà il segnale prodotto».
È da qui che nasce il concetto di “occhio artificiale”: un sistema capace di convertire la radiazione luminosa in informazione.
La vera innovazione arriva dalla scelta dei materiali.
Il carburo di silicio, su cui il gruppo del CNR-IMM lavora da anni, appartiene alla nuova generazione dei semiconduttori wide bandgap, caratterizzati da un’ampia banda proibita energetica. Una proprietà che li rende particolarmente adatti a lavorare nell’ultravioletto e in condizioni ambientali estreme.
«Quando si parla di applicazioni ambientali o industriali, un sensore deve essere robusto, affidabile, stabile rispetto a temperatura e umidità. Per questo il carburo di silicio rappresenta una tecnologia strategica».
Applicazioni molteplici: dal monitoraggio vulcanologico fino alla gestione intelligente delle risorse agricole e idriche
Uno dei progetti sviluppati insieme all’INGV riguarda infatti uno spettrometro portatile compatto per il rilevamento dell’anidride solforosa emessa dalle fumarole vulcaniche.
Il sistema utilizza sensori UV integrati in stazioni multiparametriche che raccolgono simultaneamente dati relativi a gas, temperatura, umidità e pressione atmosferica.
«Non si monitora mai un solo parametro», sottolinea Sciuto. «È come in medicina: un valore isolato non basta. Serve un insieme di informazioni per comprendere davvero cosa sta succedendo».
La sfida, oggi, è realizzare dispositivi sempre più piccoli, autonomi e a basso costo, così da poter essere installati direttamente sul campo anche in ambienti estremi.
«I sistemi tradizionali esistono già, ma spesso sono molto costosi. Noi stiamo lavorando a soluzioni più compatte e accessibili».
Precisione e riuso
Accanto al monitoraggio vulcanologico, il gruppo di ricerca sta sviluppando sensori per l’agricoltura di precisione e per il controllo delle acque da riuso in ambito agroindustriale.
Nel primo caso, l’obiettivo è intercettare precocemente lo stress delle colture attraverso l’analisi delle sostanze emesse dalle piante.
«Le piante parlano», racconta Sciuto. «Emettono composti chimici quando stanno male. Se riusciamo a leggere in tempo il loro linguaggio, possiamo intervenire prima che il danno diventi irreversibile».
Nel secondo caso, invece, i sensori vengono impiegati per il monitoraggio in tempo reale di contaminanti come nitriti, nitrati e metalli pesanti nelle acque utilizzate nei processi agroalimentari.
Grandi prospettive subito realizzabili
Si tratta di sistemi ancora in fase di ricerca, ma già caratterizzati da una forte componente applicativa e da una rete multidisciplinare che coinvolge università, enti di ricerca e competenze differenti: fisici, chimici, ingegneri, esperti di sensoristica e analisi dati.
«Noi lavoriamo alla base della tecnologia», spiega la ricercatrice. «Costruiamo il dispositivo, il “mattone” iniziale. Poi altri gruppi si occupano dell’elaborazione dei dati, dell’intelligenza artificiale e dell’integrazione nei sistemi complessi».
Ed è proprio qui che i sensori smettono di essere semplici strumenti elettronici per trasformarsi in infrastrutture invisibili della vita contemporanea.
«Siamo circondati dai sensori senza rendercene conto», conclude Sciuto. «Dal termometro agli antifurti, fino agli smartphone. Ma oggi questi dispositivi stanno diventando sempre più intelligenti e capaci di osservare ciò che l’uomo non riesce a vedere».
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