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Eventi Lunedì 3 giugno 2013 2 Ricerca, Innovazione e Tecnologia Struttura della molecola fotosensibile di rodopsina e nano optoelettronica, e sullo sviluppo di tecniche e sistemi di diagnostica ottica. Sede principale e direzione so- no presso il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e quattro unità di supporto a Padova, Roma, Trento e Bari, oltre a due sedi di lavoro di- staccate a Como (Università degli Studi dell’Insubria) e a Roma (Università degli Studi di Roma Tre). L’Ifn, fortemente integrato con la comunità scientifica univer- sitaria italiana, collabora con i più importanti centri di ricerca internazionali attraverso pro- getti finanziati dalla Comunità Europea, dal Miur e dalle prin- cipali Agenzie e fondazioni Na- zionali e Internazionali. ■■ ■ IFN / L’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del Cnr: da 40 anni ricerche su progetti all’avanguardia Tecnologie-chiave per controllare luce e materia sino alla singola particella Per attività di prevenzione e diagnosi sempre più precise ed esami meno invasivi L a generazione e manipola- zione delle singole particel- le - i fotoni - che compongono la luce e il controllo dei processi di fabbricazione dei materiali su scala atomica (Nanotec- nologie) sono due tecnologie chiave per lo sviluppo soste- nibile della società in svariati settori portanti per l’economia e il miglioramento della qualità della vita dei cittadini quali, ad esempio, la medicina, la biolo- gia, le scienze dei materiali, il monitoraggio ambientale, le te- lecomunicazioni a larga banda e i beni culturali. A Milano è presente un centro di ricerca del Consiglio Nazio- nale delle Ricerche, l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie che da circa 40 anni svolge ricerche innovative nel campo dei laser e della fotonica e, più recente- mente, delle nanotecnologie, considerando sia gli aspetti fondamentali legati all’intera- zione radiazione-materia che quelli più applicativi collegati allo sviluppo di nuove tecno- logie per la realizzazione di sistemi e dispositivi fotonici ed optoelettronici avanzati. In particolare, l’Ifn si occupa di ricerca sulla interazione tra im- pulsi di luce di durata estrema- mente breve e la materia, sulla fisica dei laser, sullo sviluppo di processi avanzati per micro Sede operativa: Via Carlo Pisacane, 1 20016 Pero - Milano Attività editoriale a cura de: Stampatori: ll Sole 24 Ore S.p.A. Via Busto Arsizio, 36 20151 Milano; Il Sole 24 Ore S.p.A. 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Recenti sviluppi nel campo dell’ottica e dei laser presso l’Ifn con- sentono di generare impulsi di luce di durata estremamente breve, dell’ordine di qualche milionesimo di miliardesimo di secondo (fem- tosecondo). Tali impulsi sono utilizzati per realizzare una sofistica- ta cinepresa in grado di filmare in tempo reale il moto velocissimo delle molecole. I ricercatori dell’Ifn hanno applicato questo strumento allo studio del processo alla base della visione, tra i fenomeni foto-chimici più rapidi che si conoscano in natura. Infatti, dall’istante in cui un foto- ne – la particella elementare di cui è fatta la luce visibile – colpisce la retina dell’occhio (o meglio una delle sue molecole sensibili de- nominata rodopsina), la prima reazione consiste in un velocissimo cambiamento di forma della rodopsina. Si è così riusciti a seguire passo passo il cambiamento di forma della rodopsina, comprenden- do i meccanismi alla base della estrema sensibilità dell’occhio. Un’altra applicazione è la fotosintesi, il più diffuso processo di con- versione luce-energia sul nostro pianeta. La natura ha sviluppato architetture molecolari efficientissime per convertire la luce in ener- gia chimica, nelle quali è cruciale la fase iniziale di trasferimento dell’energia luminosa raccolta. Mediante la cinepresa ultraveloce è possibile filmare il processo nel quale, in poche decine di femtose- condi, la luce viene assorbita e immagazzinata dalle piante. Studiare i meccanismi alla base della visione e della fotosintesi ser- virà a progettare sistemi molecolari artificiali altrettanto efficienti di quelli naturali, da impiegare per nuovi dispositivi nel campo del- la visione artificiale e del fotovoltaico. Luce laser per monitoraggio ambientale e dispositivi optofluidici Filmare la materia al femtosecondo Diagnostica: i fotoni vedono tessuti, “pensieri” e analizzano opere d’arte L o sviluppo di tecniche laser ultrasensibili su ogni singolo fotone consente di proporre nuo- ve metodiche di diagnostica medica non invasiva basate sull’invio di brevi impulsi laser nel tessuto biologico. I fotoni che riemergono portano con sé l’informazione di quello che hanno “visto” nel lo- ro cammino. Sfruttando questo principio, l’Ifn ha sviluppato uno strumento che permette di “vede- re” l’attività cerebrale indotta da stimoli cognitivi, visivi, somatosensoriali o motori (es. riconosci- mento di immagini, parole o suoni, movimenti volontari o passivi degli arti). Questa tecnologia è affascinante perché applicabile in clinica (es. terapia intensiva, neonatologia, riabilitazione) e nella ricerca per comprendere il funzionamento del cervello umano (es. connettività funzionale). Un altro strumento costruito all’Ifn e testato su 400 pazienti è un mammografo ottico per la dia- gnosi del tumore al seno. Il sistema consente di elaborare mappe della composizione del tessuto per rivelare e discriminare tra lesioni maligne e benigne. Applicando alla tutela del patrimonio artistico l’esperienza della diagnostica medica, l’Ifn ha anche sviluppato un metodo scientifico quantitativo che usa la fluorescenza indotta da luce ultravioletta per distinguere i materiali che compongono un’opera d’arte. Questo risultato è stato ottenuto costruendo strumenti innovativi per misurare il tempo di vita (miliardesimi di se- condo) e lo spettro di emissione della fluorescenza nei pixel di un’intera immagine. Il metodo è stato applicato con successo su opere come il David e la Pietà Rondanini di Michelangelo, affreschi rina- scimentali e quadri tra cui un Van Gogh. Immagine in falsi colori del tempo di vita e dell’intensità della fluorescenza emessa dal volto del David di Michelangelo in seguito ad eccitazione con luce ultravioletta Schema di un dispositivo optofluidico, ricavato nel volume di un substrato di vetro, per la manipolazione di singole cellule con forze ottiche C ontrollare le condizioni dell’atmosfera è un obiet- tivo primario del monitoraggio ambientale. I ra- dar ottici, basati su sorgenti laser a stato solido, sono in grado di monitorare a distanza, anche da satellite, la composizione dell’atmosfera, misurando la quanti- tà di vapor d’acqua, di anidride carbonica o l’eventua- le presenza di specie inquinanti. Il trasmettitore Atlid (ATmospheric LIDar), basato su un laser a neodimio e sviluppato dal gruppo laser a stato solido dell’Ifn, sarà a bordo della missione EarthCare dell’Agenzia Spaziale Europea (lancio previsto nel 2018) per il mo- nitoraggio di nubi e aerosol dallo spazio. Un’altra im- portante applicazione, questa volta in campo biome- dicale, utilizza i pettini di frequenza ottici, generati da particolari laser a stato solido, per l’analisi del respiro umano. Il laser emette simultaneamente centinaia di migliaia di righe spettrali equidistanti in frequenza, come tanti denti di luce, ognuno con colore legger- mente diverso dal precedente. Questo affascinante sviluppo, a cui stanno attualmente lavorando i ricer- catori dell’Ifn, consente la diagnosi non invasiva e in tempo reale di svariate patologie, mediante la rivela- zione parallela di decine di molecole organiche diverse presenti nell’espirato, ciascuna sondata separatamen- te da un singolo dente di luce di colore opportuno. Sempre in campo biomedico, un’altra applicazione di grande interesse sono le microlavorazioni per la rea- lizzazione di lab-on-a-chip: dispositivi microfluidici composti da reti di microcanali e sensori ottici inte- grati in grado di effettuare analisi chimico-biologico che normalmente richiedono un intero laboratorio. La miniaturizzazione richiede quantità minime di campione da analizzare (picolitri/nanolitri): que- sti dispositivi, automatizzati, compatti e portatili, consentono da un lato analisi a basso costo con una notevole riduzione di costi; dall’altro, possono essere strumenti utilissimi per operare in condizioni parti- colarmente avverse per l’uomo, come ad esempio nelle esplorazioni spaziali di altri pianeti. Sfruttando la capacità unica dei laser a stato solido a femtosecondi di fabbricare sia canali microfluidici che componenti ottici in un dispositivo integrato detto ‘optofluidico’, il gruppo di microlavorazioni laser dell’Ifn ha dimo- strato la possibilità di effettuare analisi di Dna per rivelare la predisposizione genetica ad alcune tipo- logie di tumore in un dispositivo di alcuni centimetri di dimensione e la possibilità di manipolare singole cellule, sfruttando solo forze ottiche all’interno di un lab-on-a-chip, per la diagnosi di alterazioni morfo- logico-funzionali.
