Ilaria Catapano

Ilaria Catapano

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La disponibilità di modelli matematici capaci di descrivere con adeguata accuratezza il fenomeno della diffusione elettromagnetica in scenari complessi è un punto cardine nello studio dell'interazione tra campi elettromagnetici e materia. La modellizzazione, esatta ed approssimata, del fenomeno della diffusione elettromagnetica a microonde ed a onde millimetriche è, infatti, necessaria oltre che per la comprensione delle criticità del fenomeno, per lo sviluppo di tecniche innovative per l'elaborazione dei dati radar e per la progettazione ed il dimensionamento degli apparati di misura

A tal riguardo, i ricercatori dell'IREA vantano una pluriennale esperienza nella messa a punto degli strumenti necessari per la simulazione numerica in geometria bidimensionale e tridimensionale del campo diffuso da strutture  immerse in ambienti complessi. Tali strumenti si basano su uno sforzo sia di tipo analitico, incentrato sulla formulazione del problema diretto di diffusione mediante opportune riscritture delle equazioni integrali che descrivono il fenomeno fisico, che sulla messa a punto di strumenti di calcolo efficienti.

MonitMare

Secondo uno studio della Agenzia Spaziale Europea (ESA) negli ultimi venti anni oltre 200 superpetroliere e navi container sono affondate in seguito a condizioni di mare estremo ed onde anomale, con conseguente perdita di vite umane e disastri ambientali. A fronte di tale problematica, l'attività di ricerca scientifica e l'innovazione tecnologica stanno aprendo nuovi orizzonti alla possibilità di monitorare lo stato del mare tramite l'ausilio di radar nautici in banda X comunemente installati su navi di grandi dimensioni e presso le Capitanerie di Porto.

Ciò è reso possibile grazie al fatto che il segnale misurato da un comune radar per il supporto alla navigazione dipende non solo dalla riflessione dell’onda elettromagnetica generata dai target (ostacoli, navi) presenti sullo specchio di mare ma anche da quella dovuta alla superficie del mare stesso. Pertanto, elaborando quella parte di segnale comunemente considerata come aliquota di rumore (clutter) e quindi scartata, è possibile ottenere informazioni sull’andamento spaziale e temporale del moto ondoso. Tale potenzialità offre una valida alternativa agli attuali sistemi di rilevamento dello stato del mare, come le boe ondametriche ed i radar HF, con il vantaggio di essere estremamente più semplice da installare, gestire, mantenere e, cosa non meno importante, di abbattere drasticamente sia i costi di acquisto che di gestione.

L’idea di considerare come segnale utile l’onda elettromagnetica riflessa dalla superficie del mare, ha consentito ai ricercatori dell’IREA di mettere a punto una innovativa metodologia per la stima accurata delle correnti superficiali e della batimetria del fondale che trova applicazione sia in ambito terrestre (monitoraggio delle coste, meteorologia, supporto alle operazioni alle operazioni di ricerca e salvataggio) che marittimo (supporto alla navigazione, sicurezza delle piattaforme offshore).

Nell’ambito di tali attività è stata avviata una iniziativa di trasferimento tecnologico che ha portato alla nascita della società Remocean S.r.l., Spin-off del CNR.

centralina optoelettronica

La tecnologia dei sensori in fibra ottica oggi giorno è utilizzata in svariati campi di applicazione poiché offre soluzioni notevolmente vantaggiose rispetto alle tecnologie sensoristiche convenzionali. Tipicamente i vantaggi ampiamente riconosciuti rispetto a tecniche convenzionali sono l’elevata sensibilità, l’immunità alle interferenze elettromagnetiche, le dimensioni ridotte, la sicurezza in ambienti potenzialmente esplosivi e la riduzione dei cablaggi. Tali sensori sono ideali per costruire reti di monitoraggio molto estese e sono meccanicamente e chimicamente compatibili con la gran parte dei materiali da costruzione. Tuttavia, i sensori in fibra comunemente usati consentono una misura puntuale dei parametri d’interesse e ciò rappresenta una difficoltà allorché si voglia ottenere un’elevata risoluzione su lunghe distanze.

Tale limitazione può essere superata grazie all’uso di sensori distribuiti ed a tal fine l’attività di ricerca svolta dai ricercatori IREA ha consentito di sviluppare nuove configurazioni di sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin, che consentono di misurare con elevata risoluzione temperatura e/o deformazioni di strutture di grandi dimensioni. In questo contesto i ricercatori dell’IREA ricoprono una posizione di leadership a livello nazionale e di eccellenza a livello europeo. I risultati della attività di ricerca svolta hanno, infatti, portato al deposito di due brevetti (RM 2006 A 000302 e RM 2008 A 000626) di cui il primo in fase d’estensione a Stati Uniti ed Europa.

SensOpto

I sensori optofluidici rappresentano una recente innovazione nel campo della sensoristica che unendo le caratteristiche uniche dei liquidi a quelle della microfluidica permette la realizzazione di dispositivi innovativi. In tale ambito ricadono ad esempio i sensori basati su guide liquide a getto recentemente realizzati all’IREA. Inoltre, i sensori optofluidici si prestano agevolmente ad una integrazione con altri dispositivi elettronici.

La realizzazione di sensori ottici integrati con circuiti microelettronici deputati all’elaborazione del segnale ed incorporati all’interno di micro-analizzatori offre notevoli vantaggi in termini di peso, dimensioni e costo. Essi possono essere, infatti, realizzati con costi notevolmente inferiori rispetto alle strumentazioni convenzionali, hanno un elevata portabilità, ed inoltre consentono di eseguire numerose analisi con una ridottissima quantità di sostanza con ulteriore riduzione dei costi in termini di reagenti e manutenzione.

L’attività di ricerca svolta è indirizzata allo sviluppo di dispositivi optofluidici, in cui i sistemi ottici vengono sintetizzati mediante l’uso di fluidi. Ciò consente in principio una completa integrazione tra componente ottica e componente microfluidica, che si traduce in una maggiore compattezza e stabilità del dispositivo e, grazie al confinamento della luce e del fluido nella stessa regione del dispositivo, alla realizzazione di sensori ad elevata efficienza. Tali dispositivi optofluidici sono stati realizzati utilizzando diversi materiali e tecnologie di fabbricazione. In particolare, sono stati sviluppati micro-dispositivi optofluidici in polimero e micro-dispositivi ibridi, questi ultimi ottenuti attraverso l’integrazione di componenti in silicio e materiali polimerici. I dispositivi optofluidici realizzati con materiali polimerici (quali ad esempio PMMA e PDMS) sono stati fabbricati impiegando tecniche di fabbricazione quali la litografia “soffice” e la microfresatura.

In questo contesto i ricercatori dell’IREA hanno sviluppato un approccio alternativo che consiste nell’utilizzare un diverso tipo di guide integrate, chiamate guide ottiche a riflessione antirisonante (ARROW), il cui principale vantaggio risiede nella possibilità di realizzare guide con indice di rifrazione del core più basso dei cladding circostanti.

Guide ARROW ibride (h-ARROW), fabbricate sostituendo allo strato antirisonante un sottile layer di PDMS, sono state progettate e caratterizzate e applicate con successo come elemento base per la realizzazione di piattaforme optofluidiche di tipo lab-on-a-chip per applicazioni biomedicali.

Le guide ARROW, secondo come sono progettate, possono essere usate sia direttamente come sensori d’indice di rifrazione sia come celle per aumentare l’interazione fra la luce e le sostanze, liquidi o gas, di cui è riempito il core. Infatti, esse consentono di confinare simultaneamente nel core della guida sia la luce sia la sostanza sotto analisi. Esse inoltre possono essere utilizzate come elemento base per la realizzazione di complessi sensori e dispositivi ottici integrati in cui la luce non si propaga in un solido bensì in un liquido. Quest’approccio ha consentito la realizzazione di:

- Sensori d’indice di rifrazione

- Accoppiatori direzionali optofluidici tunabili

- Filtri optofluidici tunabili

- Inteferometri Mach-Zhender optofluidici

- Risonatori optofluidici ad anello 

Dispositivo optofluidico integrato ibrido per misure di fluorescenza

DiagClinica

Lo studio dell’interazione tra i campi elettromagnetici e i sistemi biologici, quali il corpo umano, è da molti anni uno dei settori più attivi nella ricerca fondamentale ed applicata che coinvolge le tecnologie dell’elettromagnetismo.

Se storicamente tali attività si sono indirizzate verso lo studio dei possibili effetti nocivi dell’interazione tra campi e sistemi biologici ed alla valutazione dosimetrica, recentemente è emerso un paradigma innovativo, che guarda alle notevoli possibilità offerta dall’utilizzo di tale interazione per produrre uno specifico effetto.

Evidentemente, questo nuovo paradigma è di notevole interesse nell’ambito medico, dove la natura non ionizzante dei campi elettromagnetici, la loro capacità di penetrare la materia, e la specificità delle proprietà elettromagnetiche dei diversi tessuti umani (anche in dipendenza del loro stato patologico) ha dato l’impulso allo studio ed allo sviluppo di nuove metodologie diagnostiche e terapeutiche, che possano affiancarsi a quelle correntemente in uso, al fine di migliorare la qualità (e la precocità) delle diagnosi o contribuire al più efficace trattamento di determinate patologie.

Un possibile esempio di applicazione terapeutica di questo nuovo paradigma è l’ipertermia a microonde, in cui il riscaldamento selettivo dei tessuti affetti da tumore, mediante la focalizzazione dell’energia del campo a microonde nella regione di interesse, è sfruttato per indurre l’apoptosi (termoablazione) delle cellule malate o per incrementare localmente l’efficacia dei farmaci chemio- e radio-terapici. In ambito diagnostico, un esempio è lo screening morfologico e funzionale per la diagnostica precoce del tumore al seno, in cui si sfrutta la diversa risposta a microonde dei tessuti sani rispetto a quelli malati, al fine di ottenere informazioni diagnostiche dalla misura dei campi diffusi dai tessuti in esame.

Rispetto a tale contesto, l’attività di ricerca portata avanti all’IREA ormai da alcuni anni riguarda lo sviluppo di tecnologie innovative di diagnostica e terapia basate sull’uso di campi elettromagnetici alle frequenze delle microonde. In particolare, si mira alla definizione delle condizioni di irradiazione necessarie a indurre l’effetto desiderato, alla sintesi ed alla messa a punto dei relativi sistemi radianti e allo sviluppo di metodologie di elaborazione dati per l’estrapolazione delle informazioni diagnostiche.

In ambito diagnostico, l’attenzione è posta sue due tematiche. La prima consiste nello sviluppo di una tecnica innovativa per la diagnostica precoce del tumore al seno, che sfrutta agenti di contrasto nanomagnetici capaci di concentrarsi selettivamente in tessuti malati. Grazie alla natura non magnetica del corpo umano, l’utilizzo di un tale agente di contrasto, già approvato per altri utilizzi biomedicali, consente di ridurre l’incidenza di falsi positivi e negativi, con un ovvio beneficio in termini di affidabilità e qualità della diagnosi. La seconda tematica riguarda lo studio dell’utilizzo di tecniche di imaging differenziale a microonde per monitorare l’evoluzione di una patologia nel suo decorso o nell’arco di una terapia. In particolare, l’attenzione è rivolta al monitoraggio dei cambiamenti fisiologici dei tessuti cerebrali causati da alterazioni del normale flusso sanguigno (ischemie, emorragie) o eventi traumatici (ematoma). In entrambe i casi, le attività di ricerca mirano alla progettazione di dispositivi in grado di ottimizzare l’interazione tra campi elettromagnetici e tessuti umani e a sviluppare approcci di imaging capaci di caratterizzare, dal punto di vista delle proprietà elettromagnetiche, ambienti biologici complessi.

Per quel che riguarda gli aspetti terapeutici, l’attività di ricerca affronta lo sviluppo di nuove metodologie per l’ipertermia a microonde, e in particolare la progettazione e realizzazione di applicatori capaci di focalizzare l’energia elettromagnetica nei tessuti malati, minimizzando al contempo il riscaldamento dei tessuti circostanti, al fine di evitare effetti collaterali. L’uso di opportune tecniche di ottimizzazione per la sintesi di campo e l’accurata modellizzazione numerica della propagazione del segnale elettromagnetico e della sua interazione con le strutture biologiche esposte sono cruciali per l’attività, che inoltre fornisce anche gli strumenti necessari all’opportuna pianificazione di trattamenti terapeutici specifici.

Infine, è anche oggetto di studio la possibilità di utilizzare l’insieme delle metodologie e degli strumenti sviluppati per la messa a punto di sistemi “teranostici”, in cui la natura duale (diagnostico/terapeutica) delle microonde è utilizzata in modo sinergico. In particolare, l’obiettivo è il progetto di un sistema che integri un dispositivo per la terapia termica con un dispositivo diagnostico, in grado di ottenere le informazioni necessarie alla pianificazione del trattamento terapeutico specifico e verificare in corso d’opera l’evoluzione e l’efficacia dello stesso.

Imaging

La capacità delle onde elettromagnetiche di penetrare corpi materiali ed interagire con essi, in un modo che dipende dalla morfologia e dalle proprietà costitutive dell'oggetto in esame, costituisce il principio fisico delle tecniche diagnostiche senza contatto e non invasive finalizzate all’individuazione e caratterizzazione, in una parola all’imaging, di oggetti incogniti, anche se posti in un mezzo opaco o nascosti da un ostacolo.

A tal fine, è necessario sviluppare metodologie avanzate per l’elaborazione di dati radar, eventualmente raccolti adottando configurazioni di misura non canoniche. Tali metodologie, diversamente da quelle comunemente in uso, si avvalgono di modelli fisico/matematici più adeguati a descrivere l’interazione onda/bersaglio in scenari complessi e affrontano opportunamente la soluzione del problema inverso, non-lineare e mal posto, coinvolto. Basandosi su tali requisiti, le metodologie sviluppate presso l'IREA, mirano a fornire immagini dell’oggetto in esame da cui è possibile determinarne, senza ambiguità, le proprietà morfologiche ed elettromagnetiche (permettività dielettrica e conducibilità).

I ricercatori dell’IREA hanno una lunga ed assestata esperienza in questo campo, che ha consentito la messo a punto di diversi approcci, che sono stati testati in diversi contesti applicativi.

Da un punto di vista concettuale, le metodologie sviluppate possono essere classificate in due gruppi:

1) strategie per la localizzazione di oggetti incogniti e loro caratterizzazione geometrica (dimensione, forma)

2) approcci capaci di fornire una caratterizzazione (quantitativa) accurata delle proprietà elettromagnetiche degli oggetti in esame

Tali metodologie di elaborazione dati rappresentano un utile strumento per affrontare un vasto numero di applicazioni in cui è di interesse l’imaging radar in situ, tra cui il monitoraggio di strutture civili ed infrastrutture critiche, la diagnostica dei beni culturali, la mappatura dei sottoservizi in ambienti urbani, le applicazioni legate alla sicurezza fisica, come ad esempio il rilevamento di mine anti-uomo ed ordigni inesplosi, l’imaging attraverso i muri, l’individuazione di tunnel, il rilevamento di oggetti nascosti su persone, il rilevamento a distanza di segni vitali (ad esempio respirazione e battito cardiaco).

Un ambito tecnologico in cui l’uso di tali metodologie di inversione è estremamente rilevante o quello del georadar (GPR), che è un sistema radar specificamente progettato per l’imaging di strutture sepolte o nascoste. In tale ambito, le metodologie sviluppate all’IREA, ed in particolare quelle finalizzate alla localizzazione e caratterizzazione morfologica di oggetti incogniti, sono state applicate con successo in molte campagne di investigazione mediante GPR eseguite nell’ambito di vari progetti di collaborazione nazionali ed internazionali che hanno riguardato prospezioni di siti archeologici (casa del Centauro in Pompei, Stabia antica e Pontecagnano in Campania, Viggiano in Lucania e molti altri), il monotoraggio di strutture civili ed infrastrutture (ad esempio il ponte Musmeci in Potenza e diverse corsi autostradali svizzere) e la diagnostica dei beni culturali (indagine georadar nel Salone dei 500 a Firenze alla ricerca degli stati nascosti del dipinto del Vasari). 

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Una delle attività di ricerca irea

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