Nuove fibre ottiche per le telecomunicazioni e la chirurgia

Sviluppata una nuova fibra ottica, dalla struttura altamente disordinata, che sarà in grado di trasmettere più informazione. La maggiore concentrazione del fascio luminoso da essa trasportato consentirà anche la realizzazione di bisturi laser molto più precisi.

Le fibre ottiche sono largamente impiegate nelle telecomunicazioni, nella medicina e nell'illuminotecnica.

Le fibre ottiche sono largamente impiegate nelle telecomunicazioni, nella medicina e nell’illuminotecnica.

Un gruppo di ricercatori italiani (CNR e IIT) e del Wisconsin ha sviluppato un nuovo tipo di fibra ottica che permetterà trasmissioni più veloci e operazioni chirurgiche più precise.

Essa si basa sull’applicazione del fenomeno di localizzazione delle onde di Anderson, noto ormai da mezzo secolo, combinata con l’impiego di moderni metodi di focalizzazione della luce.

Intrappolare le onde

Nel propagarsi in un mezzo, normalmente le onde diffondono in tutte le direzioni. Se si aumenta il disordine del mezzo, ossia i difetti della sua struttura, la diffusione viene ostacolata. Secondo l’interpretazione del fenomeno data da Anderson, esiste una quantità critica di tali difetti oltre la quale si arriva alla completa assenza di trasmissione.

Utilizzando un mezzo adeguatamente disordinato, dunque, si può inibire la diffusione delle onde in tutte le direzioni e localizzarne spazialmente il cammino. Questo è stato dimostrato per vari tipi di onde: elettromagnetiche, meccaniche, sonore.

Nel nostro caso, l’onda in questione è la luce (che è al tempo stesso onda elettromagnetica e flusso di particelle, i fotoni) e il mezzo è la fibra ottica. Per far sì che un fascio di luce si propaghi in una direzione precisa, occorre utilizzare una fibra ottica avente una struttura tale che la trasmissione sia inibita lateralmente ma non longitudinalmente.

Una struttura disordinata

Questo effetto è stato ottenuto dai ricercatori impiegando una fibra costruita con micro-tubi di materiali plastici (polistirene e polietil-metacrilato) disposti in maniera disordinata. Il fascio ottico che porta l’informazione viene focalizzato tramite un sistema di modulazione spaziale di luce e inviato lungo la fibra ottica, che rappresenta la linea di trasmissione.

Gli esperimenti condotti hanno dimostrato che il fascio resta molto concentrato, confinato in un cammino molto stretto. Ciò consente di realizzare fibre con più cammini ottici in parallelo, così da permettere la trasmissione in contemporanea di più informazione.

La struttura disordinata della nuova fibra ottica permette di confinare spazialmente il fascio di luce lungo un cammino molto stretto.

Immagine al microscopio elettronico di una fibra ottica a struttura disordinata.Tale struttura permette di confinare spazialmente il fascio di luce lungo un cammino molto stretto. La banda bianca in basso a destra corrisponde a 4 micrometri di lunghezza. [Immagine: Nature]

Le applicazioni

Le possibili applicazioni di queste nuove fibre però non si limitano solo alle telecomunicazioni, bensì anche alla medicina, in particolare alla chirurgia laser.

In chirurgia, si può utilizzare una fibra ottica per trasportare un fascio laser e realizzare tagli molto precisi, uniti a un effetto coagulante – spiega Claudio Conti, direttore dell’Istituto dei sistemi complessi del CNR – Il taglio è tanto più preciso, quanto più la luce è focalizzata, e le nuove fibre potrebbero migliorare la precisione di questo bisturi laser.”

Gli istituti di ricerca italiani coinvolti in questa ricerca sono numerosi: l’Istituto dei sistemi complessi (ISC) e l’Istituto per i processi fisico chimici (IPCF) del Consiglio Nazionale delle Ricerche; l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT); il Dipartimento di Fisica della Sapienza. Il lavoro, che è stato realizzato in collaborazione con alcuni ricercatori dell’Università del Wisconsin, è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nature Communications’.


Cos’è la fibra ottica?

Le fibre ottiche sono dei tubicini di materiale plastico o vetroso all’interno dei quali si può far propagare la luce in maniera guidata. I cavi realizzati con fibre ottiche sono molto flessibili e resistenti a disturbi elettrici, intemperie, variazioni di temperatura. Pertanto possono essere impiegati per trasmettere segnali a larga distanza, incorrendo in scarsa degradazione del segnale.

Struttura di un cavo di fibra ottica: nucleo (core); mantello (cladding); rivestimento (coating).

Struttura di un cavo di fibra ottica: nucleo (core); mantello (cladding); rivestimento (coating).

Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente molto puro: un nucleo cilindrico centrale, detto core, ed un mantello esterno, chiamato cladding. Il tutto è poi ricoperto da una guaina isolante polimerica che protegge la fibra da stress fisici.

Il segnale ottico si trasmette lungo la fibra rimbalzando tra il nucleo e il mantello. Più precisamente, la luce entra nel core ad un certo angolo e si propaga mediante una serie di riflessioni alla superficie di separazione fra il nucleo e il mantello.

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Un nero così non si era mai visto…

Un’azienda inglese di nanotecnologia ha fabbricato il materiale più nero esistente al momento, il quale è in grado di intrappolare la luce visibile e rifletterne solo lo 0,035%.

Un campione di Vantablack, materiale super-nero pensato per applicazioni astronautiche e militari. [Immagine: Surrey NanoSystems]

Un campione di Vantablack, materiale super-nero pensato per applicazioni astronautiche e militari. [Immagine: Surrey NanoSystems]

In realtà, è talmente nero che non si vede: l’occhio umano incontra difficoltà a percepirne forma e bordi. Si tratta di un materiale in grado di assorbire il 99,965% della luce visibile, prodotto da una compagnia inglese di nanotecnologia, la Surrey NanoSystems.

Vantablack, questo il nome, è dunque il materiale più nero che sia mai stato fabbricato ed è un ‘tessuto’ di nanotubi di carbonio. Quando un fotone, ossia una particella di luce, colpisce il materiale, resta intrappolato nella struttura e rimbalza all’interno fino ad essere assorbito, mentre la sua energia viene trasformata in calore. Il risultato è che il materiale non emette radiazione visibile (a parte un restante 0.035%), pertanto appare di color nero profondo, quasi come un buco in una superficie.

Il tessuto super-nero evidentemente non è pensato per l’industria della moda, bensì come materiale per applicazioni astronautiche e militari. In particolare, strumenti per immagini elettro-ottiche e sistemi di localizzazione potranno migliorare molto le loro prestazioni.

I telescopi potranno essere capaci di captare la radiazione proveniente dalle stelle meno luminose, in quanto Vantablack è in grado ridurre notevolmente la luce spuria -ossia proveniente da sorgenti indesiderate- grazie alla sua grande efficienza di assorbimento.

Corsa alla produzione di materiali sempre più neri

Dacché negli anni 90 si scoprì che si poteva fabbricare un materiale sottile e resistente con i nanotubi di carbonio, scienziati e ingegneri si sono lanciati in una corsa alla produzione di materiali sempre più neri. La NASA ha fabbricato materiali in grado di assorbire quasi interamente la luce visibile, ultravioletta e infrarossa. Essi sono realizzati facendo crescere strati di nanotubi di carbonio sopra substrati di silicio, titanio e acciaio.

Vantablack è prodotto tramite crescita di nanotubi di carbonio con un processo a temperatura relativamente bassa.

Vantablack è prodotto tramite crescita di nanotubi di carbonio con un processo a temperatura relativamente bassa.

La vera virtù di Vantablack è che, non solo è ancora più assorbente, è anche fabbricato tramite un processo di crescita dei nanotubi a temperatura relativamente bassa, ossia 400ºC, contro i 750ºC normalmente raggiunti. Ciò consente la crescita sopra materiali più leggeri, come l’alluminio, che non possono sostenere temperature troppo elevate. Di conseguenza, il ventaglio di possibili applicazioni pratiche di tale materiale si amplia notevolmente.

Vari test hanno inoltre comprovato che Vantablack sopporta diversi tipi di stress e non emette particelle eventualmente intrappolate nella struttura, che potrebbero ‘macchiare’ le immagini riprese da sistemi ottici sensibili.

La Surrey NanoSystems ha già commercializzato il prodotto, al momento richiesto per uso spaziale e militare, e prevede di ampliare in tempi brevi la produzione e le tipologie di applicazione.

Ovviamente la corsa al nero più nero non si è arrestata, la stessa Surrey NanoSystems sta lavorando ad una versione ancora più assorbente di Vantablack… resta quello 0,035% da abbattere.

Laboratorio per analisi cliniche prêt-à-porter su fibra ottica

Dopo il progetto “lab on a chip”, volto alla realizzazione di un laboratorio di analisi cliniche compatto e portatile, è ora in via di sviluppo “lab on a fiber”, che si propone di essere ancora più piccolo, economico, resistente e – soprattutto – impiegabile come sonda direttamente all’interno del corpo umano.

[Illustrazione: James Archer/anatomyblue, tramite IEEE]

[Illustrazione: James Archer/anatomyblue, tramite IEEE]

E’ incontestabile che l’esame clinico ideale (e sognato) sarebbe rapido, preciso, non invasivo ed economico. Svolgere analisi cliniche in maniera accurata e celere è la chiave per ottenere una diagnosi rapida della malattia che affligge il paziente e, di conseguenza, intervenire tempestivamente con le cure del caso. Rendere gli esami meno invasivi, poi, consentirebbe di effettuarli in maniera regolare e senza traumi o sgradevoli conseguenze per coloro che vi si sottopongono. Infine, se l’attrezzatura e i materiali necessari sono poco costosi, chiunque può permettersi di effettuare le analisi necessarie.

In alcuni luoghi disagiati, in cui non esiste un sistema sanitario al livello di quello dei paesi ricchi, con ospedali equipaggiati e medicinali a disposizione, a tutte le qualità auspicate già elencate si aggiunge anche la compattezza. Spesso, infatti, tutto il necessario per effettuare diagnosi e cura deve essere inviato da altri paesi e lo si deve poter impiegare in assenza di strutture specializzate.

Vari gruppi di ricerca si sono dedicati allo sviluppo di sistemi compatti e di semplice uso per la diagnosi. Particolarmente successo ha riscosso il progetto “lab on a chip”, orientato alla realizzazione di un laboratorio di analisi “portatile”. Il kit si compone di un sistema meccanico-chimico che svolge le analisi e un circuito integrato che raccoglie i segnali – ossia i risultati – e li analizza.

Supponiamo di voler effettuare analisi del sangue. Grazie a micro-pompe e valvole, piccole quantità del liquido da esaminare scorreranno in microcanali, fino a raggiungere delle molecole target (bersaglio). Queste reagiscono con il sangue e il cambiamento prodotto genera una variazione in alcuni livelli di corrente o tensione. Tali segnali sono raccolti dal circuito integrato, che li amplifica, li analizza e invia il responso dell’esame ad uno schermo dove vengono visualizzati. Il tutto in tempi molto rapidi, dell’ordine dei 20 minuti.

Un ulteriore passo avanti è stato compiuto al fine di realizzare un micro-laboratorio portatile che potesse essere addirittura utilizzato all’interno del corpo o in altre circostanze particolari.

Il suddetto “lab on a chip”, infatti, non può essere utilizzato in ambienti umidi, come all’aperto o dentro il corpo umano, perché si deteriorebbe. Inoltre i circuiti contengono dei materiali tossici per l’uomo. Le dimensioni, poi, per quanto ridotte, non sono tali da permettere l’introduzione del dispositivo nei vasi sanguigni o nelle cellule.

Lab on a fiber

La nuova frontiera dell’integrazione degli esami clinici è il lab on a fiber, vale a dire un laboratorio chimico-biologico collocato su fibra di vetro, ossia la fibra ottica.

Quest’ultima è ben nota per essere una eccellente trasmettitrice di luce su grandi distanze: ciò consente di collocare la centralina che analizza i dati lontano da dove essi sono prodotti. Nel nostro caso, dunque, non sarebbe necessario integrare il circuito con la parte meccanica dell’apparato, ossia in cui avvengono le interazioni fisiche e chimiche con i liquidi o i tessuti da analizzare.

Una volta individuata la maniera di inviare i dati a distanza, occorreva decidere dove collocare le molecole target, destinate a reagire con le sostanze organiche sottoposte ad esame. Gruppi distinti di ricercatori stanno indagando varie soluzioni. Una di esse prevede che le sostanze reagenti vengano fatte aderire direttamente alle pareti della parte finale della fibra ottica.

Fibra ottica come sonda chimico-biologica

La fibra è fondamentalmente composta da due strutture cilindriche poste l’una nell’altra: un nucleo interno e un rivestimento esterno, protetti da una guaina polimerica. La luce si propaga nella fibra anche a grandi distanze, rimbalzando fra il nucleo e il rivestimento. Quando arriva in fondo, uno specchio posto all’estremità fa sì che essa torni indietro.

Lab on fiber; 1 Nucleo della fibra; 2 Griglia di rifrazione; 3 Molecole reagenti; 4 Specchio posto all'estremità della fibra per riflettere indietro la luce; 5 Confrontando il fascio di luce raccolto con quello inviato si ricostruisce il responso dell'analisi. [Immagine: James Archer/anatomyblue, tramite IEEE ]

Lab on fiber; 1 Nucleo della fibra; 2 Griglia di rifrazione; 3 Molecole reagenti; 4 Specchio posto all’estremità della fibra per riflettere indietro la luce; 5 Confrontando il fascio di luce raccolto con quello inviato si ricostruisce il responso dell’analisi. [Immagine: James Archer/anatomyblue, tramite IEEE ]

Per trasformare la semplice fibra in una sonda chimico-biologico, nei pressi dell’estremità vengono depositate molecole reagenti, le quali si saldano alla superficie. Ciò che ne consegue è che in tale area la fibra presenterà proprietà di riflessione e assorbimento della luce distinte (per essere più precisi, l’indice di rifrazione del materiale cambia). Essendo nota la composizione dei reagenti deposti, si conosce anche la maniera in cui tali proprietà cambiano. Nel momento in cui la cima della fibra viene messa in contatto con le sostanze biologiche da analizzare, una serie di reazioni chimiche modificano ancora una volta la composizione della superficie della sonda e, di conseguenza, le sue proprietà di riflessione della luce.

A questo punto per poter “leggere” tali variazioni, che sono l’impronta delle molecole presenti sulla superficie della sonda, e quindi contengono l’informazione di interesse (il responso dell’analisi clinica), è necessario colpire precisamente tale area della fibra con radiazioni luminose di lunghezze d’onda note.

A tal fine, si modifica la struttura del nucleo della fibra per generare al suo interno una griglia di rifrazione della luce, ossia una sorta di rete di piccoli specchi inclinati, i quali riflettono solo una parte delle radiazioni luminose (dette “risonanti”) in direzione della parete esterna della fibra, dove sono depositate le sostanze reagenti.

Tutti i fasci di luce sono riflessi verso l’origine, ossia in direzione dell’estremo iniziale della fibra, dal quale è stata inviata la radiazione luminosa. Qui la luce raccolta viene analizzata con uno spettrometro, che distingue le varie lunghezze d’onda, e confrontata con il fascio inviato inizialmente. Da questo confronto si risale alla concentrazione di varie molecole sulla superficie della fibra e si ricostruisce il responso dell’analisi.

Le possibili applicazioni di una simile sonda sono varie e straordinarie: a partire da semplici analisi del sangue di routine, al rilevamento di piccole variazioni nei componenti del DNA. La possibilità di effettuare un accurato esame genetico potrebbe portare a diagnosticare per tempo fibrosi cistica, tumori e alcune infezioni.

Lab on fiber utilizzato per osservare la crescita di cellule vive di pelle: fotografia effettuata con microscopio a fluorescenza. [Fotografia: Yanina Shevchenko and Gulden Camci-Unal/Harvard University]

Lab on fiber utilizzato per osservare la crescita di cellule vive di pelle: fotografia effettuata con microscopio a fluorescenza. [Fotografia: Yanina Shevchenko and Gulden Camci-Unal/Harvard University]

Monitorare cellule viventi

Questo micro-laboratorio di analisi su fibra può essere utilizzato anche per monitorare cellule viventi e l’ambizioso obiettivo che vari ricercatori stanno cercando di raggiungere è quello di sviluppare piccoli sistemi di analisi di questo tipo, che possano essere inseriti direttamente nel corpo umano, in modo da osservare i cambiamenti biologici nel momento stesso in cui avvengono.

Le piccole dimensioni, la compattezza del sistema e i costi ridotti permetteranno di impiegare il lab on a fiber in situazioni difficili, come nei paesi in via di sviluppo e in zone di guerra.

Kit per farsi da soli alcune analisi potrebbero addirittura essere venduti in farmacia.

Per arrivare a ciò però restano ancora alcune questioni da risolvere, prima fra tutte trovare il modo di rendere queste sonde conservabili per mesi, senza che la sostanza depositata sulla superficie della fibra si alteri. Gli ostacoli tecnologici più complessi, però, appaiono già superati.