I sensori a infrarossi potrebbero entrare in una nuova fase grazie a una tecnologia sviluppata dai ricercatori di Skoltech, istituzione appartenente al gruppo VEB.RF. Il team ha infatti progettato un nuovo tipo di rilevatore capace di identificare la radiazione infrarossa senza ricorrere ai tradizionali sistemi di raffreddamento. Una soluzione che potrebbe rendere più economici, compatti e facilmente utilizzabili strumenti come termometri senza contatto, sensori industriali e dispositivi per il monitoraggio della sicurezza.
La ricerca si basa sull’impiego di nanotubi di carbonio a parete singola, materiali che hanno dimostrato una capacità di risposta alla luce infrarossa molto superiore rispetto alle tecnologie precedenti basate sul grafene. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Opto-Electronic Advances con il supporto della Russian Science Foundation.
Innovazione nella sensoristica a infrarossi con i nanotubi di carbonio
Per rilevare la radiazione infrarossa, i ricercatori hanno analizzato il cambiamento della conducibilità elettrica dei nanotubi di carbonio quando vengono colpiti dalla luce. Il risultato è stato particolarmente significativo: la variazione osservata è risultata tra 10.000 e 100.000 volte più evidente rispetto al grafene utilizzato nei precedenti rilevatori.
I sensori a infrarossi vengono impiegati già oggi per individuare dispersioni di calore negli edifici, perdite nelle tubazioni, misurare la temperatura a distanza e analizzare materiali attraverso la spettroscopia infrarossa. Tuttavia, molte delle soluzioni più sensibili richiedono sistemi di raffreddamento complessi, costosi e poco efficienti dal punto di vista energetico.
La nuova tecnologia punta proprio a superare questo limite, offrendo un rilevatore capace di funzionare a temperatura ambiente mantenendo un’elevata sensibilità su un’ampia gamma dello spettro infrarosso.
Dalla medicina all’industria: le applicazioni dei nuovi sensori
Le possibili applicazioni della nuova tecnologia sono numerose. Nel settore sanitario, sensori più piccoli ed efficienti potrebbero favorire lo sviluppo di termometri medicali senza contatto più economici e precisi, mentre in ambito industriale potrebbero migliorare il controllo dei processi produttivi.
I dispositivi potrebbero inoltre essere utilizzati per la rilevazione di fughe di gas, il monitoraggio dei rischi di incendio e l’analisi rapida della composizione di materiali solidi o gassosi. Queste caratteristiche risultano particolarmente importanti in settori come la produzione farmaceutica e la sicurezza degli impianti industriali.
Un ulteriore campo di applicazione riguarda le reti in fibra ottica, dove la capacità dei nanotubi di rilevare diverse frequenze della radiazione potrebbe contribuire allo sviluppo di sistemi più versatili.
Perché i nanotubi superano il grafene nei rilevatori infrarossi
Il principale vantaggio dei nanotubi di carbonio rispetto al grafene riguarda la loro struttura elettronica. Il grafene è un ottimo conduttore, ma proprio questa caratteristica rende difficile modificarne la conducibilità attraverso un campo elettrico.
I nanotubi di carbonio semiconduttori, invece, possiedono un bandgap, cioè una particolare separazione energetica che consente di controllarne meglio il comportamento elettrico. Quando sono riscaldati dalla radiazione infrarossa, il campo generato da un materiale piezoelettrico come il niobato di litio provoca una variazione molto più marcata della resistenza.
Il dispositivo sviluppato da Skoltech funziona quindi come una sorta di fototransistor piroelettrico, trasformando il calore della luce assorbita in un segnale elettrico facilmente misurabile.
Sensori più piccoli per termocamere e dispositivi intelligenti
Un altro elemento fondamentale della ricerca riguarda la qualità dei nanotubi utilizzati. Gli scienziati hanno prodotto il materiale attraverso una tecnica chiamata deposizione chimica da fase vapore ad aerosol, riuscendo poi a trasferirlo su un substrato di niobato di litio senza introdurre difetti.
Questa procedura ha permesso di ottenere una rete di nanotubi lunga e uniforme, migliorando ulteriormente le prestazioni del sensore. Secondo i ricercatori, la combinazione tra nuovo materiale, elevata qualità dei nanotubi e trasferimento privo di danni ha consentito di raggiungere livelli di sensibilità vicini al limite teorico dei rilevatori termici non raffreddati.
La possibilità di eliminare i sistemi criogenici potrebbe portare alla nascita di termocamere portatili, dispositivi indossabili per la salute, droni per individuare perdite di gas e sistemi di visione notturna più accessibili.
Il futuro della sensoristica basata sui nanotubi di carbonio
Secondo il team di ricerca, il prossimo obiettivo sarà aumentare la velocità di risposta del dispositivo, intervenendo sullo spessore del cristallo di niobato di litio e ottimizzando il sensore per applicazioni pratiche.
La tecnologia potrebbe quindi rappresentare un passo avanti verso una nuova generazione di rilevatori infrarossi più economici, compatti e a basso consumo energetico. La capacità di operare senza raffreddamento e su uno spettro molto ampio, dalla luce visibile fino alle frequenze terahertz, apre scenari interessanti per medicina, industria e sicurezza.
Fonte: Techxplore
