Da Ca’ Foscari un nuovo sensore flessibile e biocompatibile apre la strada all’optoelettronica indossabile del futuro

Un team di ricerca del gruppo scientifico cafoscarino  SUPERVenice ha sviluppato un nuovo fotorivelatore flessibile, progettato per poter essere applicato direttamente sulla pelle in condizioni di sicurezza. 

Il lavoro, pubblicato sulla rivista Advanced Functional Materials, descrive un fotorivelatore realizzato combinando grafene e carbon dots - minuscole nanoparticelle di carbonio capaci di assorbire la luce - appositamente ingegnerizzati su un supporto plastico. Questa combinazione dà origine a un dispositivo leggero, sottile e pieghevole, particolarmente adatto a sistemi elettronici indossabili e a sensori cutanei per applicazioni di monitoraggio della salute.
Il sensore è in grado di rilevare la luce su un ampio intervallo di lunghezze d’onda e funziona a tensioni molto basse, una caratteristica fondamentale per ridurre i rischi legati al contatto diretto con il corpo umano.

I fotorivelatori sono dispositivi che trasformano la luce in segnali elettrici e rappresentano componenti essenziali di molte tecnologie, dalle fotocamere ai sistemi di comunicazione in fibra ottica, dagli smartwatch fino ai sensori utilizzati in ambito medico, ad esempio per il monitoraggio della frequenza cardiaca o nei cerotti ‘smart’. I fotorivelatori tradizionali nel visibile, basati principalmente su componenti rigidi in silicio, offrono prestazioni elevate ma risultano poco compatibili con applicazioni indossabili o con l’integrazione diretta sulla pelle, dove sono indispensabili flessibilità meccanica, basso consumo energetico e biocompatibilità.

Le soluzioni flessibili sviluppate finora presentano spesso compromessi rilevanti. Alcune raggiungono un’elevata sensibilità ma impiegano materiali potenzialmente tossici, come i quantum dots a base di piombo o cadmio; altre sono meccanicamente adattabili ma funzionano solo in intervalli spettrali limitati o non sono state sottoposte a verifiche specifiche di sicurezza cutanea. Lo studio condotto a Ca’ Foscari supera questi limiti proponendo un’architettura che integra, nello stesso dispositivo, risposta ottica su banda larga, flessibilità e compatibilità con la pelle dimostrata sperimentalmente.

Il fotorivelatore è realizzato combinando carbon dots con un singolo strato di grafene trasferito su un substrato di polietilene tereftalato (PET), un materiale già ampiamente utilizzato nella produzione di fibre per abbigliamento, come il poliestere, e nei contenitori per alimenti. 
I carbon dots svolgono la funzione di materiale assorbente della luce, mentre il grafene agisce come canale di trasporto delle cariche elettriche, grazie alla sua elevata mobilità. A differenza dei quantum dots convenzionali, i carbon dots utilizzati sono privi di metalli, più sostenibili dal punto di vista ambientale e intrinsecamente biocompatibili. 

Il grafene, considerato da solo, assorbe solo una piccola frazione della luce incidente. Tuttavia, quando è accoppiato ai carbon dots, è in grado di raccogliere in modo efficiente le cariche generate dall’illuminazione e di trasformarle in un segnale elettrico misurabile su tutto l’intervallo spettrale di interesse, dagli ultravioletti agli infrarossi. 

Per il controllo elettronico del dispositivo è stato utilizzato un elettrolita biopolimerico efficace anche a tensioni molto basse, a base di chitosano e glicerolo. Il chitosano è un materiale atossico derivato da fonti naturali, come ad esempio il guscio del granchio blu, già ampiamente impiegato in ambito biomedico. 

La flessibilità meccanica, requisito essenziale per l’elettronica indossabile, è stata valutata attraverso test di piegatura approfonditi: ifotorivelatori cafoscarini mantengono un funzionamento stabile anche ‘sotto stress’: resistono a raggi di curvatura fino a 0,8 centimetri e non mostrano degradazioni significative nemmeno dopo più di 1000 cicli di flessione. 
I tempi di risposta, seppure dell’ordine di circa un secondo, sono compatibili con numerose applicazioni pratiche, tra cui il monitoraggio dei parametri biometrici e la rilevazione della luce ambientale.

Un elemento particolarmente rilevante dello studio riguarda la valutazione diretta della compatibilità con la pelle, un aspetto spesso trascurato nell’optoelettronica indossabile. Attraverso l’uso di modelli di epidermide umana ricostruita e colture di fibroblasti - cellule chiave del tessuto cutaneo - il team di ricerca ha dimostrato che né il dispositivo completo né i singoli materiali che lo compongono provocano irritazioni della pelle o effetti tossici per le cellule. Inoltre, durante il funzionamento in condizioni realistiche di illuminazione, non è stata osservata la produzione rilevabile di specie reattive dell’ossigeno (ROS), molecole potenzialmente dannose per l’organismo. Questo risultato indica che il dispositivo può essere considerato fotosicuro per l’uso diretto sulla pelle.

Sebbene il fotorivelatore venga presentato come 'proof-of-concept', gli autori sottolineano che i materiali impiegati e i processi di fabbricazione adottati sono compatibili con tecniche scalabili e a basso costo. Le attività di ricerca future saranno orientate al miglioramento della sensibilità, all’ottimizzazione dell’uniformità su superfici di grandi dimensioni e all’integrazione del dispositivo in piattaforme indossabili complete e funzionali. Nel complesso, lo studio delinea un percorso concreto verso una nuova generazione di fotorivelatori progettati fin dall’inizio per un utilizzo indossabile sicuro, affidabile e biologicamente compatibile.