(di G. Ferrini e R. Battaglia)
La sonda europea ROSETTA, partita nel marzo 2004 dalla base di lancio di Kourou, nelle Guyana francese, è in viaggio verso la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko.
La sonda incontrerà il suo obiettivo nel 2014, entrando per la prima volta in orbita intorno ad una cometa. All’arrivo, attiverà i suoi strumenti per studiare in modo dettagliato le proprietà di questi affascinanti e misteriosi oggetti celesti.
Le comete, infatti, sono tra i corpi minori più antichi del Sistema Solare. Esse si sono formate nelle fasi primordiali, quando, intorno al Sole, gas e polveri si stavano ancora aggregando per formare i pianeti. Espulse per effetto di fionda gravitazionale dai pianeti più grandi, le comete trascorrono la maggior parte del tempo in regioni molto distanti dalla nostra stella, preservando intatte le proprietà chimico-fisiche. Per queste ragioni, il loro studio riveste un interesse fondamentale per la comprensione dei processi che hanno portato all’attuale stadio evolutivo del Sistema Solare. Le comete custodiscono ancora oggi molti segreti; studiarne le proprietà chimiche e fisiche è un po’ come guardare indietro nel tempo alla ricerca di risposte sulle nostre origini. Tra gli strumenti a bordo della sonda Rosetta c’è GIADA (Grain Impact Analyser and Dust Accumulator), realizzato da un team di ricercatorifigdell’Osservatorio Astronomico di Capodimonte a Napoli, ente di ricerca appartenente all’INAF (Istituto Nazionale di AstroFisica). GIADA analizzerà, come mai è stato fatto prima d’ora, le proprietà fisiche e dinamiche dei grani di polvere di dimensioni sub-micrometriche, emesse dal nucleo della cometa e presenti nella sua coda. Fanno parte del complesso strumento GIADA, anche cinque piccoli sensori che avranno il compito di misurare la concentrazione delle polveri cometarie. Sono le Microbilance a Cristalli di Quarzo (Quartz Crystal Microbalance- QCM), che raccoglieranno sulle loro superfici sensibili un’infinitesima quantità di polveri che giungerà dalla cometa, “pesandone” la deposizione nel tempo. Disposte in varie direzioni, le QCM saranno in grado di misurare variazioni di massa inferiori al miliardesimo di grammo, determinando in modo molto preciso il flusso tridimensionale delle
polveri emesse dalla coda. Proprio grazie all’esperienza derivata da molti anni di studio sui micro-sensori per applicazioni spaziali, alcuni ex-ricercatori dell’osservatorio astronomico napoletano, hanno pensato di sfruttare tali conoscenze per proporre e realizzare prodotti innovativi, non soltanto nell’ambito delle tecnologie aerospaziali, origine l’avventura della Novaetech, spin-off company dell’INAF. L’azienda napoletana è, tra l’altro, specializzata nell’ideazione e produzione di nuovi strumenti basati sulle QCM, da impiegare nell’ambito di differenti applicazioni per l’ambiente e l’industria. COSA SONO LE QCM LE QCM sono sensori che sfruttano la proprietà naturale dei cristalli di uno dei minerali più diffusi sulla Terra, il quarzo. Tale proprietà è l’effetto piezoelettrico, ovvero la caratteristica fisica per cui il cristallo, soggetto ad un campo elettrico, si deforma secondo leggi ben precise.
Il principio di funzionamento delle QCM è, pertanto, molto semplice. I cristalli di quarzo piezoelettrici sono indotti a vibrare ad una frequenza propria caratteristica, detta frequenza di risonanza. La deposizione di piccole quantità di massa sull’area sensibile del cristallo induce una variazione della sua frequenza di risonanza. Dalla misura di tale variazione è possibile determinare, con grande accuratezza, la quantità di massa depositata. La sensibilità che si ottiene con tali sensori è davvero elevata. Si pensi, infatti, che con essi sono possibili misure di massa inferiori al miliardesimo di grammo (nanogrammo), corrispondente, ad esempio, alla massa di poche cellule.
L’elemento sensibile delle microbilance è una sottile lamina, ricavata da un pezzo di quarzo naturale mediante un taglio avente un particolare orientamento rispetto agli assi cristallografici. Tale taglio viene detto di tipo AT e viene effettuato con un angolo di circa 35° rispetto all’asse ottico Z. Il quarzo con taglio AT vibra in una modalità denominata Thickness Shear Mode (TSM), per la quale le sue facce opposte slittano una sull’altra. Tipicamente le lamine di quarzo per i sensori QCM hanno la forma di un sottilissimo disco di pochi millimetri di diametro, con elettrodi circolari depositati su ambedue le facce (Fig. 1).
L’applicazione di un voltaggio agli elettrodi genera la deformazione di taglio che si trasmette lungo lo spessore. La massima deformazione avviene proprio sulle facce esterne, rendendo, per l’appunto, il dispositivo particolarmente sensibile alle contaminazioni superficiali. Tali contaminazioni possono essere costituite da carichi sulla superficie quali: deposizioni di film sottili, di fluido o di strati viscoelastici di spessore finito.
La sensibilità di una QCM è determinata principalmente dalla frequenza di risonanza propria del quarzo, che a sua volta dipende dalle proprietà fisiche del cristallo e, in particolar modo, dal suo spessore. Una tipicaespressione per la sensibilità delle microbilance con cristallo a taglio AT è la seguente:
dove f è la frequenza di risonanza, m e la massa del materiale depositato e A l’area sensibile (superficie dell’elettrodo) della microbilancia. Da questa relazione si può facilmente comprendere che, quanto più piccola è l’area sensibile del cristallo e quindi più grande la sua frequenza di risonanza, tanto maggiore sarà la sensibilità del sensore. In Tabella 1 sono mostrati i valori di sensibilità per microbilance aventi frequenze di risonanza diverse.In origine, i cristalli TSM erano destinati a microbilance per la misura di deposizioni metalliche in vuoto. Tuttavia è stato dimostrato che, in particolari configurazioni, essi possono essere utilizzati 
anche in contatto con liquidi e in altre tipologie di ambienti (in vuoto, in fluido, in aria, a temperature criogeniche, ad alte temperature). Pertanto, mediante le microbilance a cristalli di quarzo è possibile realizzare sistemi sensibili alla variazione di massa per varie applicazioni, di cui alcuni esempi classici sono:
• Analisi gravimetriche: misure della variazione di massa per deposizione di materiali (es: monitoraggio della deposizione di polveri sottili, deposizione di film sottili, ecc.)
• Analisi termo gravimetriche: misure della variazione di massa di materiali in fenomeni di condensazione e/o evaporazione (sublimazione) di elementi, indotti attraverso l’impostazione di cicli termici.
Un altro importante vantaggio delle QCM è la possibilità di poterne funzionalizzare la superficie, ovvero rendere la superficie sensibile a materiali specifici. Ciò amplia la gamma di applicazioni, grazie alla possibilità di adottare tecniche di misura molto differenti a seconda degli obiettivi. Alcuni esempi sono:
• Biosensori: grazie alla funzionalizzazione del cristallo sensore, mediante la deposizione di un substrato recettore, è possibile captare e monitorare la presenza di specie microbiologiche, quali ad esempio virus e batteri.
• Misure di corrosione: la deposizione di un materiale target sull’elemento sensibile della microbilancia, può essere utilizzato per l’analisi dei processi di corrosione dello stesso tipo di materiale esposto a particolari agenti esterni (acqua, agenti corrosivi, radiazione etc.)
• Rivelatori di gas e nasi elettronici: grazie alla funzionalizzazione del cristallo sensore mediante la deposizione di un opportuno substrato recettore è possibile rivelare con elevata sensibilità anche poche ppm di particolari gas o specie chimiche in miscele. Grazie alla possibilità di realizzare sistemi ad array e mediante le moderne tecniche di elaborazione a reti neurali è possibile la realizzazione di nasi elettronici utilizzabili nell’ambito della sicurezza o della tecnologia alimentare.
LE QCM NOVAETECH
Nel corso delle attività di ricerca e sviluppo nel settore aerospaziale, la Novaetech ha effettuato uno studio finalizzato a progettare QCM che superassero alcuni limiti riscontrati in analoghi prodotti già presenti sul mercato. Risultato è stata la nanobilancia AE-QCM, realizzata per offrire un sistema compatto per misure di deposizioni di massa ad elevata sensibilità. Nella nanobilancia realizzata dalla Novaetech, l’elettronica di controllo è integrata direttamente nella testa di misura. Nel cuore del sensore è adottata una particolare soluzione tecnologica che, mediante uno speciale sistema di accoppiamento di due cristalli di quarzo (sensore e riferimento), permette di ridurre al minimo le derive di frequenza indotte dalle variazioni di temperatura. Una minima variazione di massa sul cristallo sensore induce una variazione della differenza di frequenza tra sensore e riferimento. In tal modo è possibile misurare variazioni di massa anche inferiori al nanogrammo.
Novaetech seleziona accuratamente il cristallo di riferimento e il cristallo sensore, in modo da minimizzare le dipendenze dalla temperatura del sensore. La versatilità della AE-QCM, ne permette l’uso come core sensor in una vasta gamma di applicazioni, ognuna della quali caratterizzata da un sistema di misura differente (Fig. 2).
NANOBILANCIA PER IL MONITORAGGIO DI POLVERI
SOTTILI
Il know-how nell’ambito dello studio delle polveri in vari ambienti spaziali acquisito dai componenti della Novaetech
nel corso degli anni di ricerca presso l’osservatorio astronomico di Capodimonte ha permesso loro di trasferire tali conoscenze allo sviluppo di strumenti innovativi per il monitoraggio di polveri fini atmosferiche PM 10 e PM 2.5 (PM = Particulate Matter, ad esempio: “PM 10” significa tutte le particelle con diametro inferiore a 10 micrometri). Le PM sono particelle solide sospese nell’atmosfera, sia di origine antropica sia di origine naturale. Le dimensioni di tali particelle sono comprese in un intervallo di cinque ordini di grandezza, da pochi nanometri fino a oltre 100 micron (Fig. 3). Le PM sono costituite per lo più da composti del carbonio, nitrati e solfati. Sono, comunque, presenti altri minerali, soprattutto silicati. In Figura 4 è riportata la composizione tipica del particolato PM 10 e PM 2.5 (ossia “Particulate Matter” con dimensioni rispettivamente minori di 10 e minori di 2.5 micrometri) della cittàdi Milano.
Le PM 10, e ancor di più le PM 2.5, sono considerate tra i sette inquinanti dell’aria più importanti e pericolosi per la salute umana. Al di sotto dei 10 μm, infatti, ricadono le categorie di particolato definite inalabili e respirabili. I materiali inalabili sono causa di allergie e malesseri in chi è predisposto, ad esempio gli asmatici. I materiali respirabili invece, riuscendo ad insediarsi negli alveoli, dove il sangue scambia ossigeno con l’aria, possono causare vere patologie, anche di natura cancerosa. Il nucleo degli strumenti per il monitoraggio delle polveri sottili della Novaetech è la AE-QCM.
Il prototipo avanzato di questi strumenti è l’AE-PMQCM, campionatore e misuratore di particolato fine. Esso è
stato sviluppato mediante finanziamento del Ministero dello Sviluppo Economico, nell’ambito del CIBAPARK, sistema di servizi avanzati e contributi finanziari alle imprese innovative, erogati dal Centro Italiano Ricerche Aerospaziali (CIRA). Il sistema è, infatti, di grande interesse nel settore aerospaziale e aeronautico come prototipo di una nuova generazione di sistemi di fire detection basato sulla rivelazione di gas e polveri emessi in un principio di incendio. In qualità di dispositivi miniaturizzati e compatti, inoltre, i misuratori di polveri basati sulle nanobilance Novaetech sono in grado di essere integrati a bordo di Unmanned Aerial Vehicles (UAV) quali: velivoli teleguidati, palloni atmosferici e dirigibili, dando la possibilità di effettuare il monitoraggio:
- in zone ambientali difficilmente accessibili quali zone a rischio incendio e zone altamente inquinate;
- in campo meteorologico;
- in campo geofisico, in prossimità di coste o vulcani;
- in campo civile.
A dimostrazione di tali capacità, l’AE-PMQCM è stato montato a bordo di un pallone atmosferico durante una campagna di monitoraggio di inquinanti atmosferici a differenti quote, condotta dall’Università “Parthenope” di Napoli.
Realizzando per la prima volta una misura della concentrazione di polveri PM a varie altezze, i risultati preliminari, riportati in Figura 5, sono stati presentati alla conferenza internazionale “Particulate Matter 2008”, tenutasi a Bari dal 6 all’8 ottobre 2008, suscitando l’elevato interesse soprattutto di coloro che studiano la modellizzazione degli inquinanti atmosferici, che difficilmente hanno a disposizione dati sperimentali per la validazione dei loro modelli. atmosferico locale, i vantaggi di uno strumento come l’AE-PMQCM sono evidenti. A differenza delle voluminose strumentazioni standard per la misura delle concentrazioni di PM, che tra l’altro necessitano di un notevole intervento di controllo e manutenzione da parte di operatori, l’AE-PMQCM (Fig. in copertina) permette di avere un apparecchio automatizzato, compatto, a basso consumo energetico, stand alone con display o interfacciabile ad un PC attraverso una semplice connessione USB 2.0, per il controllo e la misura in real time della concentrazione di polveri
Altro importante vantaggio rispetto ai metodi tradizionali è la possibilità di acquisire molti punti sperimentali ogni ora e ottenere una visione immediata della variazione di concentrazione del particolato, sia qualitativamente sia quantitativamente (Fig. 7).
LE AE-QCM, nanobilance realizzate dalla Novaetech, rappresentano un importante esempio di come i risultati della ricerca astrofisica e aerospaziale hanno prodotto un interessante caso di trasferimento tecnologico. Spin off company dell’INAF, la Novaetech è oggi una realtà campana che vanta partner e clienti in ambito nazionale ed internazionale quali ad esempio l’ESA, l’Istituto Sperimentale Italiano “Lazzaro Spallanzani”, il CNR, etc. Le sue AE-QCM, sono impiegate come sensori di massa ad elevata sensibilità in una vasta gamma di applicazioni innovative, sia nel campo scientifico sia in quello industriale. Tra queste, una nuova generazione di dispositivi per il monitoraggio delle polveri sottili atmosferiche, AE-PMQCM, estremamente compatti, di facile utilizzo e automatizzati. Tali dispositivi, nel futuro prossimo, potranno affiancarsi alle attuali strumentazioni standard, per un più ampio e capillare monitoraggio del territorio, fornendo i dati in tempo reale. Si tratta di strumenti innovativi per favorire la salvaguardia dell’ambiente, che ricevono un’eredità donata dalla ricerca scientifica.
Il progenitore di tali strumentazioni, infatti, oggi ancora in viaggio, è a milioni di chilometri dalla Terra, alla volta di una cometa, uno dei più antichi e affascinanti oggetti del Sistema Solare.
