All’interno del Laboratorio di Strumentazione Ottica del Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Milano è stato realizzato e brevettato un innovativo sistema per la determinazione delle proprietà ottiche di singole particelle di dimensioni micrometriche e submicrometriche. Questa tecnica consente di ottenere informazioni difficili da reperire e cruciali in molti campi. Per la valorizzazione del brevetto è nata una società, EOS srl, che impiega diverse persone e opera nel campo dello sviluppo e realizzazione di strumentazione per la caratterizzazione di polveri in sinergia con gruppi di ricerca in tutta Europa.
La necessità di caratterizzare oggetti di dimensioni micrometriche e submicrometriche sta avendo una crescita molto rapida negli ultimi decenni, a causa delle molte e diverse applicazioni delle particelle stesse in ambito sia scientifico sia industriale.
Tra i metodi di caratterizzazione più utilizzati ci sono tecniche basate sull’interazione della luce con le particelle, i cosiddetti metodi di scattering di luce: all’interno del Laboratorio di Strumentazione Ottica del Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Milano, diretto da Marco Potenza, è stato realizzato e brevettato un metodo di determinazione delle proprietà ottiche di singole microparticelle basato sullo scattering, indicato come SPES, Single Particle Extinction and Scattering. Il metodo è stato brevettato dall’Università degli Studi di Milano nel 2008 per le promettenti prospettive in ambito industriale.
Oggi la tecnica SPES è stata applicata con successo in diversi campi, tra cui la nanomedicina, la caratterizzazione di polveri contenute in campioni da carotaggi di ghiaccio profondo in Groenlandia e Antartide, l’industria cosmetica.
Rispetto ad altri metodi, la SPES ha il vantaggio di essere intrinsecamente non invasiva, applicabile in tempo reale in svariati ambiti, inclusi processi industriali, e di fornire informazioni statisticamente rilevanti a costi relativamente ridotti, anche nel caso in cui venga analizzata una sola particella alla volta.
Per valorizzare al meglio la tecnologia nel 2014 è stata fondata una start-up, guidata da un dottorato formatosi nel gruppo di Marco Potenza: EOS Srl. Questa opera nel campo dello sviluppo di strumentazione ottica per la caratterizzazione di micro- e nano-particelle in svariati ambiti sia scientifici sia industriali.
Lo studio delle polveri sospese in atmosfera
A partire dal 2011 la ricerca è stata, tra le altre cose, rivolta alla caratterizzazione delle polveri sottili sospese in atmosfera: l’aerosol. L’interesse in quest’ambito deriva dalle potenzialità della tecnica SPES di fornire direttamente le proprietà ottiche di singole particelle, che assumono oggi una rilevanza globale per la comprensione del ruolo che hanno nel cambiamento climatico, sia per la loro componente naturale, sia per quella di origine antropica.
La SPES è stata applicata dapprima a caratterizzazione delle polveri presenti in carotaggi di ghiacci alpini, antartici e Groenlandesi in stretta collaborazione con il laboratorio EuroCold dell’Università Bicocca, impegnato nello studio del paleoclima, quindi alla misura diretta di polveri eoliche in aria.
La sfida, tutt’ora in corso, è di caratterizzare su base empirica, ovvero basata su misurazioni e il più possibile indipendente da modelli, la relazione tra le polveri in aria e le loro proprietà quando vengono estratte dal ghiaccio. Con questo scopo il gruppo ha ottenuto un finanziamento quadriennale al Programma Nazionale per la Ricerca in Antartide. Il progetto, chiamato OPTAIR, è rivolto alla installazione in un osservatorio permanente presso la stazione artica di Concordia di strumentazione SPES che misura in continuo le polveri in aria. In parallelo il personale presente in base raccoglie con cadenza almeno settimanale campioni, che vengono poi analizzati in Italia. I dati vengono correlati tra loro e con misure in continuo svolte mediante uno strumento LIDAR. L’interesse dell’attività di ricerca in Antartide dipende dal fatto che in questa zona sono stati effettuati carotaggi nel ghiaccio in profondità, che conservano la memoria dell’atmosfera della terra.
Altre applicazioni della SPES
Ci sono diversi esempi di come la migliore comprensione delle proprietà ottiche dell’aerosol può sicuramente fornire un contributo con ricadute rilevanti sulla società.
Un primo ambito è quello della produzione di potenza elettrica mediante impianti fotovoltaici, che dipende drasticamente dalla potenza della luce solare irraggiata verso il basso: la presenza dello strato di aerosol modifica questa potenza in tempi rapidi, rendendo critica la gestione della distribuzione di potenza sulla rete elettrica. È cruciale quindi avere sistemi che contribuiscano alla previsione il più accurata possibile dell’irraggiamento, come appunto l’analisi delle proprietà ottiche delle particelle e quindi dell’atmosfera. In base a queste previsioni si è sviluppato recentemente un sistema di progettazione di smart-grid, capace di redistribuire la potenza elettrica sulla rete sulla base delle previsioni di produzione a breve termine in modo da compensare le variazioni.
Passando dall’aerosol ad altre microparticelle, sono state utilizzate misurazioni effettuate con la tecnica SPES anche in campo tossicologico. Per caratterizzare una microparticella, utilizzata in questo caso per veicolare farmaci, bisogna sapere bene come si comporta: questa tecnica risulta utile perché permette di accertare le dimensioni delle particelle, il carico di farmaco che si può introdurre, la forma (se sono cave o piene).
In ambito industriale, infine, la SPES è stata utilizzata in collaborazione con STMicroelectronics, azienda che produce componenti elettronici e semiconduttori, per caratterizzare i liquidi di attacco chimico e risciacquo dei wafer di silicio: è un ambito in cui si lavora sotto i 20 nanometri, per cui una singola particella di sporco può danneggiare il dispositivo, da cui l’importanza di una caratterizzazione accurata dei liquidi utilizzati nei processi.