Una vipera si muove nel buio completo della foresta, non ha bisogno di vedere la sua preda per trovarla. La sente. Quel corpo caldo a 37 gradi per lei brilla nel nulla come un faro acceso nella notte più nera. Ammazza che partenza poetica. Merito del cosiddeto “organo a fossa”, una piccola camera cava posizionata tra l’occhio e la narice, che cattura le onde infrarosse emesse dal calore. Una membrana sottilissima si scalda in modo differenziato, punto per punto. Il cervello riceve un’immagine termica nitida. La preda non ha scampo, anche se resta immobile.
Da decenni gli scienziati cercano di replicare questa abilità. Non per farci cacciare roditori, ma per farci vedere attraverso nebbia, fumo, oscurità. O per dare alle auto autonome una visione che funzioni quando le telecamere normali diventano cieche. Oppure per ispezionare gasdotti senza dover aprire ogni giunzione. Per controllare se il cibo è ancora fresco sotto la confezione. Ne avete altre? Ce ne sarebbero. Per tutte queste applicazioni, il problema è sempre stato lo stesso: i sistemi di imaging infrarossi ad alte prestazioni costano troppo o sono troppo ingombranti per un uso diffuso.
Ora, però, c’è un sensore che funziona a temperatura ambiente
Un team del Beijing Institute of Technology guidato dal professor Xin Tang e dal dottor Ge Mu ha trovato una soluzione. Hanno integrato un convertitore infrarosso-visibile direttamente su un sensore CMOS standard da 8 pollici. Quello che hanno ottenuto è un sistema di imaging a infrarossi in risoluzione 4K (3.840 × 2.160 pixel) a temperatura ambiente. Senza bisogno di raffreddamento criogenico, senza materiali esotici costosi come l’arseniuro di indio-gallio.
La chiave sta nell’architettura. Hanno usato punti quantici colloidali di tellurio di mercurio disposti in una struttura che chiamano “barriera a eterogiunzione”. Sopra questi, strati di ossido di zinco e polimeri creano una barriera fisica che blocca la “corrente oscura”, cioè il rumore termico che normalmente rende inutilizzabili i sensori infrarossi non raffreddati. Ma lasciano passare i segnali reali.
Il sistema copre radiazioni infrarosse da 1,1 a 5 micrometri di lunghezza d’onda. Questo significa che può “vedere” sia l’infrarosso a onde corte (SWIR) che quello a onde medie (MWIR), estendendo lo spettro rilevabile di 14 volte rispetto alla luce visibile. Con un pitch dei pixel di soli 1,55 micron.
Come convertono il calore in luce visibile
I sensori CMOS che abbiamo negli smartphone vedono solo la luce visibile. Per fargli “leggere” l’infrarosso, il team cinese ha aggiunto un’unità di emissione luminosa che fa da traduttore. I fotoni infrarossi assorbiti dai punti quantici generano cariche elettriche. Queste cariche attraversano gli strati del dispositivo e quando arrivano all’unità di emissione, vengono convertite in fotoni di luce verde visibile. Che il sensore CMOS può leggere normalmente.
La struttura bilancia il trasporto di elettroni e “lacune” (assenze di elettroni) per aumentare l’efficienza della conversione. Tradotto: anche segnali infrarossi deboli diventano immagini luminose e nitide. Il sistema può vedere attraverso wafer di silicio, rilevare distribuzioni termiche, fotografare sorgenti di calore che per una telecamera normale sarebbero invisibili.
Scheda dello Studio
- Ente di ricerca: Beijing Institute of Technology
- Ricercatori principali: Prof. Xin Tang, Dr. Ge Mu
- Anno: 2025
- Rivista: Light: Science & Applications
- DOI: 10.1038/s41377-025-02001-x
- TRL: 4-5 – Tecnologia validata in laboratorio, integrata su wafer standard CMOS da 8 pollici. Pronta per la fase di sviluppo industriale.
Imaging a infrarossi: dove lo useranno davvero
La tecnologia di imaging a infrarossi apre scenari concreti. Veicoli autonomi che vedono pedoni e ostacoli anche con nebbia fitta o di notte. Droni per ispezioni industriali che rilevano punti di surriscaldamento nei gasdotti o nelle linee elettriche prima che si verifichi un guasto. Sistemi di controllo qualità negli impianti alimentari che scansionano ogni frutto alla ricerca di danni interni invisibili dall’esterno. Scanner per la sicurezza che rilevano gas tossici o esplosivi nell’aria.
Come spiegano i ricercatori nel loro studio pubblicato su Light: Science & Applications, “questa tecnologia apre un percorso a basso costo e alte prestazioni per l’imaging infrarossi”. E aggiungono che estendere il rilevamento fino a 4,5 micrometri “permette una visione per tutte le condizioni atmosferiche, capace di penetrare fumo e nebbia”.
Il punto interessante è il costo. I sistemi di imaging infrarossi attuali ad alte prestazioni richiedono raffreddamento criogenico (temperature sotto i -190°C) per ridurre il rumore. Questo significa compressori, criostati, consumi energetici elevati. Il nuovo sistema funziona a temperatura ambiente. “Decine di milioni di pixel potrebbero essere ottenuti a un costo estremamente basso”, scrivono i ricercatori.
Quando arriverà sui nostri telefoni
Il sensore è stato integrato su un wafer CMOS standard da 8 pollici. Questo significa compatibilità con le linee di produzione esistenti per i chip dei telefoni. Non serve costruire fabbriche nuove o inventare processi produttivi da zero. Si usa l’infrastruttura che già produce miliardi di sensori per smartphone ogni anno.
I ricercatori non danno tempistiche precise per l’arrivo sul mercato consumer, ma la scelta di usare wafer standard da 8 pollici e sensori CMOS non è casuale. È la stessa piattaforma su cui si basa l’industria degli smartphone. Significa che il salto dalla ricerca alla produzione di massa è più breve. L’imaging infrarossi non è più confinato ai laboratori militari o agli impianti industriali da milioni di euro.
Resta da vedere se i produttori di smartphone lo riterranno abbastanza utile da integrarlo nei modelli consumer. Ma le applicazioni ci sono: fotografia notturna senza flash, rilevamento di perdite di calore in casa, controllo della temperatura corporea, visione attraverso certi materiali.
Un po’ come avere l’organo a fossa delle vipere, ma nel taschino.
