Quante volte al supermercato avete dovuto resistere alla tentazione di tastare compulsivamente frutta e verdura per capire quanto fosse matura o fresca? Presto, potrebbe non essere più necessario. Immaginate di puntare lo smartphone verso una pera e, oltre a scattare una foto, ottenere una mappa sorprendentemente dettagliata delle sottilissime differenze di luce ed energia nei colori che le compongono, quelle che rivelano se è acerba, matura, o già sulla via del declino. La stessa tecnologia che, se applicata alla pelle, è capace di segnalare un neo sospetto molto prima che un medico possa farlo a occhio nudo. Oppure, integrata su un telescopio per catturare, in una sola istantanea, i dettagli spettrali di migliaia di stelle lontane.
Sembra fantascienza, e invece parliamo del nuovo spettrometro sviluppato in Cina, all’Università di Tsinghua, presentato su Nature il 15 ottobre 2025 e destinato (se manterrà le sue promesse) a ridefinire ciò che consideriamo possibile nell’analisi della luce: RAFAEL (in cinese Yuheng).
· Una Risoluzione che Sfida l’Immaginazione.
RAFAEL è uno spettrometro piccolo…piccolissimo. Non “compatto” o “portatile”: è un chip delle dimensioni di una SIM-CARD, capace di una risoluzione spettrale di 0,5 angstrom e una sensibilità senza pari.
Per dare un’idea: un angstrom è un decimo di miliardesimo di metro. Mezzo angstrom è una variazione di lunghezza d’onda 1,6 milioni di volte più piccola dello spessore di un capello umano.
È un livello di sensibilità che fino a ieri apparteneva soltanto ai grandi laboratori e ai mastodontici spettrometri ottici da banco, strumenti larghi un metro, pesanti decine di chili e operativamente lenti. RAFAEL, invece, si appoggia alla microelettronica standard, non ha parti mobili e potrebbe essere alloggiato, letteralmente, dentro il nostro telefono.
“Questo porta la spettroscopia di livello da laboratorio in un chip”, spiega Fang Lu, responsabile della ricerca e professore al Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Tsinghua.
Tutto grazie alla fotonica integrata intelligente che si riconfigura a comando.
· Grandi Prestazioni in uno Spazio così Piccolo.
Il cuore di RAFAEL è una sottile pellicola di niobato di litio elettro-ottico, un materiale già noto per le sue proprietà di modulazione della luce. Il team di Tsinghua lo ha trasformato in una sorta di “maschera interferenziale intelligente” capace di cambiare comportamento ottico su scala picometrica quando attraversata da una tensione elettrica.
Brevemente, la struttura e il funzionamento:
– Alla base abbiamo un sensore CMOS standard (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) da 4 a 12 megapixel, gli stessi delle fotocamere degli smartphone.
– sopra, uno strato di niobato di litio inserito tra due riflettori e controllato da elettrodi;
– quando cambia la tensione, cambia anche la trasmissione selettiva delle lunghezze d’onda;
– ogni pixel riceve così un “peso” spettrale diverso, ricostruendo l’intero spettro della scena.
Il sistema può farlo 88 volte al secondo: in pratica una spettroscopia dinamica in tempo reale. Con una trasmittanza totale del 73,2%, il doppio delle migliori tecnologie concorrenti.
Risposte rapidissime, altissima risoluzione e un campo visivo enorme, tutti insieme: un traguardo che la spettroscopia tradizionale ha sempre inseguito senza mai raggiungerlo.
Niente più Compromessi tra Nitidezza e Ampiezza
Gli spettrometri classici sono costretti a scegliere: o altissima risoluzione o una larga porzione di scena.
RAFAEL promette d’infrangere questo limite.
Secondo Fang, il chip permette “…una risoluzione spaziale a livello di dieci megapixel e una risoluzione spettrale sub-ångström nelle lunghezze d’onda visibili e del vicino infrarosso.”, un miglioramento di due ordini di grandezza rispetto allo stato dell’arte.
La configurazione on-chip misurata nei prototipi (2 cm × 2 cm e 5 mm di spessore) rende chiaro che non si tratta di un giocattolo da laboratorio, ma di un dispositivo pensato per l’integrazione massiva.
Risoluzione estreme, ampio campo visivo, assenza di parti mobili, estrema miniaturizzazione e basso consumo energetico, rendono RAFAEL una tecnologia potenzialmente rivoluzionaria.
Dalla Frutta alla Medicina di Precisione.
La sensibilità sub-ångström apre scenari inediti nella vita quotidiana. Solo alcuni esempi.
Agricoltura e Alimentazione:
rilevare la freschezza di frutta e verdura, misurare il contenuto d’acqua, individuare muffe o alterazioni invisibili alla vista…basterebbe la fotocamera di un telefono.
Salute Personale:
analizzare i tessuti cutanei, evidenziare precocissimi segnali di anomalie, monitorare l’ossigenazione.
La spettroscopia potrebbe diventare un’estensione fisiologica dei nostri smartphone.
Materiali e Industria:
identificare difetti microscopici, rilevare le composizioni chimiche.
Il controllo di caratteristiche e qualità strutturali diventerebbe istantaneo.
Ambiente:
Monitorare in tempo reale particolati, sostanze inquinanti o variazioni atmosferiche.
Monitoraggio ed ventuali procedure d’intervento diventerebbero più veloci ed efficienti.
Questo spettrometro non è solo uno strumento da laboratorio miniaturizzato: è un possibile “tessuto sensoriale” da integrare ovunque ci sia una telecamera.
E lo Spazio Pare un po’ Meno…Infinito
È però nell’astronomia che RAFAEL mostra il suo lato più stupefacente.
“RAFAEL può registrare lo spettro completo di quasi 10.000 stelle al secondo”, afferma Fang. “Per un’indagine della Via Lattea su quasi 200 miliardi di stelle, la tecnologia attuale richiederebbe migliaia di anni. RAFAEL potrebbe ridurre questo tempo a un decennio o meno”.
Prototipi sono già pronti per essere testati in grandi osservatori: Xinglong (Hebei, Cina), Lijiang (Yunnan, Cina), Isole Canarie (Spagna).
Il chip è così leggero e compatto da poter essere montato sui satelliti o addirittura sulle sonde spaziali.
La prospettiva è audace: una cartografia spettrale dell’universo ottenuta in tempo reale, con una sensibilità tale da aiutare come mai prima la caccia a esopianeti, rilevamento della materia oscura e fenomeni transitori nello spazio profondo.
Ma è Solo l’Inizio.
I risultati pubblicati, dalla spettroscopia atomica all’identificazione dei materiali, dalla salute delle piante alla guida autonoma, mostrano un potenziale vastissimo, e Fang è il primo a sottolinearlo:
“Lo studio non segna un punto d’arrivo, ma un inizio, dimostrando come la fotonica intelligente possa continuare a spingere i confini di ciò che la luce può rivelare”.
RAFAEL è indubbiamente uno strumento giovane, ma il suo impatto potrebbe essere molto più ampio di quanto oggi riusciamo a immaginare.
La storia insegna che ogni rivoluzione tecnologica, spesso, inizia in piccolo: una reazione chimica inaspettata su un vetrino, la scoperta di un sensore grazie ad una interazione fisica casuale…l’assemblaggio di un chip di appena 2 cm capace di leggere il mondo, e il cielo, un angstrom alla volta.
Felice notte venerabili.
by O. D. B.
Fonti:
