La rivoluzione silenziosa della fotonica

di Laura Reggiani | In un mondo in cui le tecnologie emergenti stanno ridefinendo i confini della scienza, la fotonica si impone come una delle frontiere più promettenti.

Neda Ghofraniha, fisica sperimentale e ricercatrice presso l’ISC-CNR, lavora da anni con materiali innovativi capaci di emettere luce, comportarsi come microlaser e fungere da sensori ultrasensibili.

In questa intervista ci accompagna nel cuore della sua ricerca, spiegando come le collaborazioni con aziende come Acal BFi, lo studio dei random laser e l’uso di strumentazioni all’avanguardia stiano aprendo nuove strade nella biomedicina, nella computazione ottica e nella sostenibilità dei materiali. Un viaggio tra scienza pura e applicazioni concrete, in cui luce e materia si fondono per illuminare il futuro.

Dottoressa Ghofraniha, il suo lavoro si concentra sulla fotonica in materiali nuovi e tecnologici. Può spiegarci in che modo questi materiali stanno rivoluzionando la ricerca nella fisica e quali sono le principali applicazioni a cui state lavorando?

I materiali con una risposta ottica sono da sempre rilevanti in quanto permettono di quantificare delle grandezze cui siamo interessati, come la popolazione di cellule in una coltura, la reazione di una antenna plasmonica a degli inquinanti e rivelazioni simili. Quello che noi chiamiamo materiali fotonici sono un avanzamento, nel senso che sono materiali attivi che si comportano come dei laser miniaturizzati, piccoli e integrabili.

Negli ultimi 15 anni ci siamo dedicati alla realizzazione di laser disordinati (random laser), che sono materiali amorfi come polimeri, polveri di titanio e coloranti cristallini organici che hanno un mezzo di guadagno. Una volta eccitati con un laser esterno si comportano essi stessi come dei microlaser. Non hanno coerenza spaziale. Quindi sono omnidirezionali e sono stati proposti in applicazioni come l’illuminazione per imaging avanzato e come sensori anche biomedici. Avendo un mezzo attivo, un fluoroforo, sono esposti al foto-danneggiamento che viene mitigato se usiamo come pompaggio dei nostri microlaser dei laser impulsati con impulsi corti.

Negli ultimi anni ci siamo dedicati a microlaser polimerici sferici che funzionano come sensori di macromolecole come antigeni e virus. Sono facili da immergere in soluzioni organiche e, in un futuro, anche da integrare in chip. Nelle ultime settimane ci stiamo invece dedicando all’investigazione intracellulare di cellule di glioblastoma.

Nel vostro laboratorio presso il dipartimento di fisica de La Sapienza di Roma, quali sono attualmente le sfide scientifiche più stimolanti che state affrontando nel campo della fotonica?

Presso il dipartimento di fisica La Sapienza sono operativi diversi gruppi che si occupano di fotonica. Un gruppo importante si dedica all’informazione quantistica, alla crittografia e alle nanotecnologie quantistiche. Altri gruppi si occupano di effetti di ottica nonlineare per lo studio di materiali nonlineari, come cristalli foto-rifrattivi; di computer ottici, ossia realizzazione di apparati ottici che usano la propagazione della luce per fare machine e deep learning e risolvere problemi molto complessi. Poi vi sono gruppi che fanno microrobot con batteri fotosensibili e spettroscopia Raman per la caratterizzazione di materiali 2D, come il grafene, e biosistemi, come le emoproteine.

Collaborate con Acal BFi che vi fornisce strumenti laser avanzati. Come è nata questa partnership e quale impatto ha avuto sulla vostra attività di ricerca?

Ci siamo rivolti ad Acal BFi principalmente per l’acquisto di laser. Essendo presenti sul territorio, è molto utile per noi avere un contatto diretto con il fornitore, mostrare i nostri spazi e le nostre esigenze “in diretta”. L’impatto è la stabilità della nostra ricerca, grazie alla lunga durata della strumentazione acquista, dall’opportunità di fare manutenzione con l’aiuto di esperti disponibili e di venditori che ci informino in maniera costante delle novità del mercato. Non sempre riusciamo a stare al passo con la tecnologia, che è anche molto vasta, e avere persone che ci guidino nella scelta è di aiuto e di impatto per le nostre ricerche.

Ci può parlare di qualche progetto in cui state utilizzando la strumentazione fornita da Acal BFi? In che modo questi strumenti si distinguono rispetto ad altri presenti sul mercato?

Personalmente sto utilizzando il laser con impulso picosecondo appena acquisito per eccitare i microlaser di cui ho parlato prima. Per questo specifico prodotto, ci occorre un laser con impulso corto e velocità di ripetizione di 10 Hz, con energia alta in uscita, tutto nel visibile e con un fascio collimato e a singolo modo. Non vi sono tanti modelli al mondo con tali caratteristiche e, soprattutto, una delle aziende leader a livello mondiale è la lituana Ekspla che Acal BFi supporta in Italia. Se non avessimo avuto Acal BFi come interfaccia e se non avessimo beneficiato del supporto tecnico e amministrativo, non avremmo mai potuto acquistare il laser, vista la burocrazia ingombrante e imprevedibile della Pubblica Amministrazione.

Quale supporto offre Acal BFi? Collaborate anche in fase di progettazione sperimentale o nella personalizzazione delle soluzioni tecnologiche?

Ancora non tanto. Forse questo ultimo acquisto importante ci ha permesso di collaborare un po’ di più nella scelta del prodotto migliore con il giusto rapporto qualità/prezzo. Sarebbe importante e utile per il futuro avere un supporto anche nella progettazione, magari di un intero apparato e non solo di una sua componente

Guardando al futuro, quali sviluppi prevede e quali traguardi scientifici sperate di raggiungere nei prossimi anni?

I nostri traguardi sono: sviluppo di sensori quantistici (Quantum critical sensors) con altissima sensibilità per la rilevazione di nanomolecole (ad esempio le nanoplastiche) e ricerca a singola molecola per diagnosi medica e cura. Altri traguardi sono i computer quantistici e ottici, materiali e dispositivi neuromorfici, materiali sempre più biodegradabili per la cui produzione si possa ridurre la quantità di energia elettrica necessaria. Queste sono le nostre sfide future.