Il diapason di quarzo che ‘ascolta’ i gas

Phonon LaserRivelare tracce infinitesimali di gas tossici, appena una manciata di molecole diluite milioni di volte, ascoltandone il suono. È in grado di farlo un minuscolo diapason al quarzo, il primo sensore fotoacustico che opera nelle frequenze terahertz, ottimali per identificare gas inquinanti e agenti chimici pericolosi, messo a punto da ricercatori dell’Istituto nanoscienze (Nano-Cnr) e dell’Istituto di fotonica e nanotecnologie (Ifn-Cnr) del Consiglio nazionale delle ricerche. Lo studio, in copertina sulla rivista ‘Applied Physics Letters’, è in collaborazione con il Dipartimento interateneo di Fisica dell’Università e del Politecnico di Bari, i Cavendish Laboratories dell’Università di Cambridge e la Scuola Normale Superiore.

“Il dispositivo impiega una delle tecniche più sensibili per la rivelazione di tracce gassose, la spettroscopia fotoaucstica”, spiega Vincenzo Spagnolo di Ifn-Cnr e Politecnico di Bari. “Sfrutta cioè il fatto che le molecole di un gas illuminate con luce laser intermittente, scaldandosi e raffreddandosi ciclicamente, producono onde sonore che mettono in vibrazione un minuscolo diapason di quarzo in proporzione alla concentrazione di molecole. Solitamente per far ‘suonare’ le molecole si impiega luce infrarossa, ma nel nostro esperimento è stato usato per la prima volta un laser con frequenza terahertz, ideale per il riconoscimento specifico di molte sostanze chimiche”.

“In questo range, che sta tra l’infrarosso e le microonde, molti materiali di interesse strategico tra cui agenti inquinanti, gas tossici e vapori di sostanze esplosive, possono essere identificati più efficacemente poiché hanno uno spettro di assorbimento ben specifico, una sorta di impronta digitale inequivocabile”, chiarisce Miriam Serena Vitiello di Cnr-Nano di Pisa. “Operare nel terahertz è una possibilità del tutto nuova, è un po’ come se avessimo ‘accordato’ il sensore”.

Per l’esperimento i ricercatori hanno realizzato ad hoc un prototipo di quarzo di appena tre centimetri. “Il diapason funge da rivelatore eliminando la necessità dei tipici rivelatori: costosi, ingombranti e che devono operare a temperature criogeniche”, conclude Vitiello. “Il prototipo ora ha una sensibilità di sette parti per milione, il passo successivo sarà usare laser più potenti e diapason con dimensioni e forma ottimizzate. L’obiettivo è ottenere un sensore compatto, trasportabile ed economico per misure in situ e in tempo reale, nei campi dell’indagine ambientale e della sicurezza, in grado di rivelare molecole diluite decine di miliardi di volte”.