Il futuro dei rilevatori a infrarossi sta vivendo una rivoluzione silenziosa nei laboratori della NYU Tandem School of Engineering, dove un gruppo di ricercatori ha sviluppato una tecnologia che promette di superare uno dei dilemmi più pressanti dell'industria moderna. Mentre la domanda di imaging termico cresce esponenzialmente in settori cruciali come i veicoli autonomi, l'imaging medico e la sicurezza nazionale, i produttori si trovano sempre più stretti in una morsa normativa che limita l'uso dei metalli pesanti tossici tradizionalmente impiegati in questi dispositivi. La sfida è complessa: mantenere prestazioni elevate rispettando al contempo regolamentazioni ambientali sempre più stringenti che bandiscono mercurio, piombo e altri materiali nocivi.
Una tempesta perfetta nel settore dell'imaging termico
Le aziende del settore stanno affrontando quella che Ayaskanta Sahu, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della NYU e autore senior dello studio pubblicato su ACS Applied Materials & Interfaces, definisce "una tempesta perfetta". Da un lato, le normative ambientali si fanno sempre più severe, dall'altro la richiesta di sistemi di imaging termico sta letteralmente esplodendo. Questo scenario crea colli di bottiglia significativi per le aziende che tentano di incrementare la produzione su larga scala.
La soluzione proposta dal team di ricerca rappresenta un cambio di paradigma radicale rispetto ai metodi tradizionali. I punti quantici colloidali utilizzati nello studio vengono sintetizzati completamente in soluzione, un processo che Sahu paragona alla "preparazione di un inchiostro" piuttosto che al meticoloso assemblaggio atomico tipico dei rilevatori convenzionali.
Dall'assemblaggio microscopico alla produzione industriale
La differenza tra i metodi tradizionali e questo nuovo approccio è paragonabile alla differenza tra assemblare un puzzle pezzo per pezzo sotto un microscopio e utilizzare tecniche di rivestimento scalabili simili a quelle impiegate nella produzione rotativa per imballaggi o giornali. I dispositivi tradizionali richiedono metodi ultra-precisi che posizionano gli atomi quasi uno per uno attraverso i pixel del rilevatore, un processo lento e costoso che limita inevitabilmente la produzione su larga scala.
Il ricercatore Shlok J. Paul, primo autore dello studio, esprime l'entusiasmo del team per questa innovazione: "Quello che mi entusiasma è che possiamo prendere un materiale a lungo considerato troppo difficile per dispositivi reali e ingegnerizzarlo per renderlo più competitivo". La tecnica sviluppata utilizza uno scambio di ligandi in fase di soluzione che modifica la chimica superficiale dei punti quantici per migliorarne le prestazioni nei dispositivi elettronici.
Prestazioni che sfidano le aspettative
I risultati ottenuti sono impressionanti sotto diversi aspetti. I dispositivi sviluppati mostrano una reattività alla luce infrarossa nell'ordine dei microsecondi - per dare un'idea della velocità, l'occhio umano batte le palpebre a velocità centinaia di volte inferiore. Inoltre, questi rilevatori sono in grado di individuare segnali deboli come un nanowatt di luce, dimostrando una sensibilità notevole.
A differenza dei metodi di fabbricazione tradizionali che spesso producono pellicole screpolate o irregolari, questo processo basato su soluzioni genera rivestimenti lisci e uniformi in un singolo passaggio, caratteristica ideale per la produzione scalabile. Paul aggiunge che con ulteriori sviluppi, questo materiale ha il potenziale per "brillare più in profondità nello spettro infrarosso, dove esistono pochi materiali per tali compiti".
Un sistema integrato per il futuro
Questa ricerca si inserisce in un quadro più ampio di innovazioni sviluppate dallo stesso team. In precedenti studi, i ricercatori avevano già sviluppato elettrodi trasparenti utilizzando nanofili d'argento, componenti che rimangono altamente trasparenti alla luce infrarossa mentre raccolgono efficacemente i segnali elettrici. La combinazione di queste due tecnologie affronta entrambi i componenti principali dei sistemi di imaging a infrarossi.
L'importanza di questa integrazione diventa evidente quando si considerano le sfide degli array di imaging infrarosso su larga area, che richiedono rilevamento ad alte prestazioni su ampie superfici e lettura di segnali da milioni di pixel rilevatori individuali. Gli elettrodi trasparenti permettono alla luce di raggiungere i rilevatori a punti quantici fornendo al contempo percorsi elettrici per l'estrazione del segnale.
Verso l'accessibilità di massa
Le implicazioni commerciali di questa tecnologia sono significative, come sottolinea Sahu: "Ogni telecamera a infrarossi in una Tesla o in uno smartphone ha bisogno di rilevatori che rispettino gli standard ambientali rimanendo economicamente convenienti. Il nostro approccio potrebbe contribuire a rendere queste tecnologie molto più accessibili". Sebbene le prestazioni non raggiungano ancora quelle dei migliori rilevatori basati su metalli pesanti in alcune misurazioni, i ricercatori prevedono che i continui progressi nella sintesi dei punti quantici e nell'ingegneria dei dispositivi potrebbero ridurre questo divario.
Lo studio, che ha coinvolto anche Letian Li, Zheng Li, Thomas Kywe e Ana Vataj del dipartimento CBE della NYU Tandem, è stato sostenuto dall'Office of Naval Research e dalla Defense Advanced Research Projects Agency. Questa ricerca rappresenta un passo concreto verso un futuro in cui prestazioni elevate e sostenibilità ambientale non saranno più obiettivi in conflitto nell'industria dell'imaging termico.
