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La fotonica e come le sue applicazioni promettono una nuova rivoluzione

luce, sensori e suono e come questi possono aiutarci a comprendere meglio il nostro corpo

Con la pandemia abbiamo tutti acquisito maggiore familiarità con attrezzature mediche che prima non conoscevamo: termometri ad infrarossi, sterilizzatori a UV e altro. Tra questi è diventato sempre più frequente l’uso di una clip di plastica luminosa attorno al dito. Questa clip è un saturimetro che calcola il livello di ossigeno nel sangue. Ma come funziona esattamente? Qual è la tecnologia che permette questa misurazione e quali altre cose può fare?

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La fotonica è una scienza appartenente all’ottica che studia la luce e la propagazione dei fotoni attraverso i corpi traslucidi. Il corpo umano è traslucido, cioè non blocca né riflette la luce. Ciò vuol dire che parte della luce riesce ad attraversare pelle, muscoli e vasi sanguigni e uscire dall’altro lato. Questa semplice proprietà si è poi utilizzata per l’esplorazione interna dei corpi senza alcun tipo di invasione.

Tornando all’esempio del saturimetro, questo è capace di misurare il rapporto tra emoglobina ossigenata e non ossigenata grazie ad una luce LED rossa che si trova su un lato della clip e ad un rilevatore di luce che si trova sull'altro lato. Quando la luce del LED attraversa il dito questi incontra l'emoglobina nel sangue. Ora, l’emoglobina non ossigenata assorbe la luce rossa in misura superiore rispetto a quella ossigenata. La quantità di luce che riesce ad attraversare il dito dipende dunque dalla proporzione tra questi due tipi di emoglobina. Si possono, in tal senso, utilizzare diverse lunghezze d’onda, come gli infrarossi, che si trovano appena al di sotto di quelle dei colori visibili. L'efficienza di assorbimento delle molecole, emoglobina inclusa, varia col variare della lunghezza d'onda della luce. Per questo motivo, confrontare l'assorbimento della luce visibile con gli infrarossi può fornire una stima più precisa.

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L'emergente industria dei sensori sta studiando nuovi metodi di stima sempre più precisi e meno invasivi, non solo per calcolare la saturazione del sangue ma anche al fine della mappatura dei vasi sanguigni e della profilazione di tumori. La grande innovazione dell'utilizzo della fotonica nel campo della medicina sta proprio nella capacità di inferenza, cioè la possibilità di poter usare un semplice campione di saliva o sudore per la diagnosi di determinate malattie.

La saliva umana, in particolare, rispecchia la composizione degli ormoni e delle proteine del corpo e può segnalare precocemente la presenza di alcuni tipi di tumori e malattie infettive o autoimmuni, tra cui il cancro alla prostata, la sarcoidosi e tutta una serie di infezioni virali.

L’esplorazione del nostro corpo traslucido attraverso impulsi di luce è un’altra possibilità; gli impulsi di luce, simili a dei flash, vengono proiettati su un’area specifica. Quando raggiungono un corpo, questi impulsi agiscono come delle percussioni; colpendo le molecole delle cellule le fanno vibrare, queste vibrazioni vengono registrate e poi paragonate con le vibrazioni prodotte da altri materiali (ogni materiale ha una frequenza di vibrazione propria). Questo studio è preciso e non invasivo e permette di ottenere la composizione chimica di un tessuto e comprendere se il tessuto sia sano oppure no.

Rispetto ad altri metodi, le applicazioni della fotonica, hanno il pregio di utilizzare le ‘piste fotoniche’. Così come per l’elettricità, che necessita di un cavo conduttore per far passare degli elettroni, le piste fotoniche sono delle fibre ottiche per il trasporto di fotoni. I fotoni viaggiano alla stessa velocità della luce e data l’assenza di massa dei fotoni rispetto agli elettroni, il loro trasporto non comporta la dispersione del calore, con un conseguente risparmio in termini di tempo ed energia.

La fotonica non sta solo apportando innovazione nel settore della medicina ma anche in numerosi altri ambiti. In informatica, i processori tradizionali, chip contenenti innumerevoli piste elettriche sulle quali corrono gli elettroni, potrebbero essere sostituiti da processori fotonici semplicemente sostituendo gli elettroni con i fotoni (e riducendo il rischio di surriscaldamento del computer). In agricoltura, la fotonica viene utilizzata per monitorare lo stato dei terreni o per la raccolta delle derrate al culmine della loro potenza nutrizionale. Questo è possibile grazie allo studio della luce nel momento subito successivo all'impatto con l’ostacolo che incontra; quando un fascio luminoso colpisce un oggetto, una parte viene assorbita e una parte riflessa. Studiando la parte riflessa a diverse frequenze è possibile raccogliere informazioni sulle caratteristiche chimiche (grado di idratazione, quantità di zuccheri ed amminoacidi) e fisiche dell’oggetto. Nel settore dell'automotive, la luce viene utilizzata come sensore per vedere attraverso la nebbia o attorno alla macchina (molto simile alla tecnologia dei radar dei pipistrelli e delle navi, ma al posto del suono viene utilizzato il riflesso della luce).

Per concludere, la fotonica promette di essere al centro delle nuove innovazioni del prossimo futuro, sia in ambito tecnologico che medico, agricolo ed industriale. I principali paesi che stanno ora eseguendo ricerche in questa direzione sono Cina ed Europa. Si prevede un valore economico attorno ai 405 miliardi di dollari e una crescita di posti di lavoro attorno ai 20mila annui.


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  • L'Autore

    Andrea Radaelli

    Andrea Radaelli, nato il 20 ottobre 1997, caporedattore del progetto 'Tecnologia ed Innovazione' mi considero un soggetto particolarmente vivace e interessato a come funziona il mondo. L’aggettivo che più spesso hanno utilizzato i miei parenti, i miei amici e le persone che mi stanno accanto per descrivermi è senza dubbio ‘curioso’.

    Curioso del mondo, di come funziona e dei nostri effetti su di esso. Non solo in campo scientifico ma anche economico e geopolitico. Mi interesso di tutto ciò che ha un outcome positivo e propositivo, soprattutto nella sanità e nelle nuove tecnologie.

    Curioso per le mie opinioni molto forti e per certi aspetti critiche sulla società, che a volte diventano i miei limiti. Alcune di queste sono che la conoscenza è faticosa ma rende liberi, che l’ignoranza nell’era dell’informazione è una scelta consapevole e che l’uguaglianza (dare alle persone le stesse cose) è un paradigma da superare con l’equità (dare alle persone le stesse opportunità).

    Curioso anche per la mia personalità; ho delle idee molto ben determinate, sono un convinto ‘individualista sociale’. Cioè che ognuno di noi deve prima crescere e acculturarsi secondo le proprie inclinazioni per poi poter entrare in un gruppo di lavoro per poterlo arricchire della sua prospettiva.

    Curioso per le mie scelte, dopo le medie ho scelto un liceo ad indirizzo artistico nonostante i miei professori spingessero per un liceo classico. Durante questi cinque anni ho avuto modo di viaggiare per l’Italia e scoprire gli incredibili siti dell’UNESCO. Ho viaggiato anche in Europa nelle maggiori capitali e mi sono innamorato dell’Unione Europea. Ho compreso quanto siamo fortunati del far parte di comunità internazionale e delle straordinarie opportunità che offre. Finite le superiori, ho scelto di studiare lingue applicate all’ambito economico nel CdL di ‘Scienze per la Mediazione Linguistica e Culturale’, un’università ricca di diversità; di nazionalità diverse, di lingue diverse e di culture diverse. Tutta questa eterogeneità mi ha spinto a ricercare un percorso magistrale decisamente più strutturato ed innovativo; 'Data Science and Business Intelligence'. La scienza dei dati si compone di principi metodologici basati sul metodo scientifico e di tecniche multidisciplinari volte ad interpretare ed estrarre conoscenza dai dati attraverso l'analisi statistica.

    Di Mondo Internazionale mi ha colpito la potenzialità, la composizione giovane e il dinamismo. Le aree tematiche nel quale mi trovo a mio agio sono economia, sanità e innovazione. Il progetto di ‘Tecnologia ed Innovazione’ è quello con cui collaboro maggiormente e, soprattutto grazie alla pazienza dei miei collaboratori, mi trovo veramente bene.

    Andrea Radaelli, born on 20 October 1997, editor-in-chief of 'Technology and Innovation' project, I consider myself as a particularly lively person and interested in how the world works. The adjective that my relatives and my friends have used the most to describe me is undoubtedly 'curious'.

    Curious about the world, how it works and our effects on it. Not only in the scientific field but also in the economic and geopolitical field. I am interested in everything that has a positive and proactive outcome, especially in healthcare and new technologies.

    Curious for my very strong and, in some respects, critical views on society, which sometimes become my limitations. Some of these are that knowledge takes effort but is essential, that ignorance in the information age is a conscious choice and that equality (giving people the same things) is a paradigm to be overcome with fairness (give people the same opportunities).

    Also curious about my personality; I have very well-defined ideas, I am a convinced 'social individualist'. That is, each of us must first grow and acculturate according to their own tastes in order to be able to be a good team player in a work group in order to enrich it with new insights.

    Curious about my choices, after secondary school I chose an artistic high school despite my teachers pushing for a classical high school. During these five years I have had the opportunity to travel around Italy and discover its incredible UNESCO sites. I also traveled around Europe in the major capitals and fell in love with the European Union. I realized how fortunate we all are to be part of this international community and the extraordinary opportunities it offers. After graduating from high school, I chose to study languages ​​applied to economics, 'Sciences for Linguistic and Cultural Mediation', a university rich in diversity; of different nationalities, of different languages ​​and of different cultures. All this heterogeneity pushed me to seek a decidedly more structured and innovative master's path; 'Data Science and Business Intelligence'. Data science consists of methodological principles based on statistics, scientific method and multidisciplinary techniques aimed at interpreting and extracting knowledge from data through statistical analysis.

    I was struck by Mondo Internazionale's potential, young composition and dynamism. The thematic areas in which I am comfortable are economics, health and innovation. The 'Technology and Innovation' project is the one I collaborate with most and, thanks to the patience of my collaborators, I am really happy with it.

Categorie

Sezioni Tecnologia ed Innovazione


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photonics light innovation health healthcare technological innovation

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