Dal MIT arriva un’innovazione che potrebbe rivoluzionare la tecnologia per la visione notturna, rendendola molto più leggera e accessibile. I ricercatori hanno infatti sviluppato un sensore a infrarossi (IR) ultrasottile, funzionante a temperatura ambiente e talmente leggero da poter essere integrato in normali occhiali. Con uno spessore di appena 10 nanometri, questa membrana è capace di rilevare il calore su tutto lo spettro infrarosso, superando le prestazioni dei sensori attuali che richiedono pesanti e costosi sistemi di raffreddamento criogenico.
Dal MIT un sensore ultrasottile che funziona a temperatura ambiente
Il team guidato da Xinyuan Zhang e Jeehwan Kim, in collaborazione con l’Università del Wisconsin-Madison, ha scoperto per caso un fenomeno che ha reso possibile la produzione del sensore. Di norma, il team di Kim utilizza uno strato di grafene tra il film e il wafer per agevolarne il distacco finale, sfruttando una tecnica nota come epitassia remota. Ma con la ceramica piroelettrica PMN-PT (niobato-titanato di piombo-magnesio-piombo) è accaduto qualcosa di sorprendente: il film si è staccato spontaneamente, senza bisogno del grafene.
Questi hanno agito come uno strato di teflon nanoscopico, bloccando i legami chimici e lasciando il costoso wafer intatto e riutilizzabile. Un risultato che ha permesso di ottenere fogli perfetti e sottilissimi, mille volte più sottili di un capello umano.
Cuore dell’innovazione è infatti una pellicola ultrasottile di ceramica piroelettrica PMN-PT, in grado di generare segnali elettrici al minimo cambiamento di temperatura. A differenza dei sensori termici tradizionali – ingombranti e bisognosi di raffreddamento a -196 °C – questo film può operare in condizioni ambientali normali, mantenendo una sensibilità termica paragonabile ai migliori sensori al tellururo di mercurio-cadmio. Il segreto è nella fisica dei materiali: più il sensore è sottile, più la sua capacità termica si riduce, permettendogli di reagire anche a variazioni di pochi millikelvin.
Il prototipo realizzato è un array da 100 pixel, ciascuno di 60 micrometri, capace di coprire l’intero spettro dell’infrarosso medio e lontano, tra 3 e oltre 14 micrometri. Questo significa che il dispositivo può catturare dettagli invisibili alle attuali telecamere termiche, le quali operano solo su porzioni limitate dello spettro IR. L’obiettivo è arrivare a chip da 1.024 pixel integrabili con circuiti CMOS, per creare dispositivi compatti come occhiali termici completamente funzionanti, leggeri e accessibili.
Applicazioni spaziali, automobilistiche e mediche
Il nuovo sensore apre la strada a una rilevazione termica molto più ampia rispetto ai dispositivi tradizionali. Mentre le classiche telecamere termiche operano su una porzione limitata dello spettro IR, il foglio ultrasottile di PMN-PT risponde all’intero intervallo infrarosso, rendendo possibile la creazione di dispositivi multifunzione.
In un veicolo a guida autonoma, ad esempio, un solo sensore potrebbe rilevare pedoni a 10 micrometri, mappare la temperatura della strada e individuare il ghiaccio a lunghezze d’onda inferiori.
Nel campo aerospaziale, dove il peso è una risorsa critica, questa tecnologia potrebbe sostituire i refrigeratori a elio liquido nei telescopi spaziali, permettendo l’osservazione delle fredde nubi interstellari con strumenti molto più leggeri. In ambito medico, versioni miniaturizzate inserite in lenti a contatto intelligenti potrebbero monitorare le variazioni termiche del film lacrimale, potenzialmente utili per la diagnosi precoce di patologie oculari.
Allo stesso tempo, fogli di dimensioni maggiori potrebbero essere applicati direttamente sui processori per identificare in tempo reale micro-surriscaldamenti prima che causino malfunzionamenti.
