Dal doping luminoso per le verdure fino al trattamento delle acque

Le LED UV sono robuste – quindi sono ideali per la depurazione dell'acqua mobile. (© FBH/schurian.com)

Circa 1,8 milioni di euro costa un impianto moderno di epitassia in fase gassosa, necessario per la produzione degli LED UV. (© TU Berlino/P. Gupta)

LED UV speciali vengono utilizzate nella coltivazione di ortaggi. Stimolano le piante a produrre in modo particolare molte sostanze secondarie preziose. (© Melanie Wiesner-Reinhold, IGZ)

Germi resistenti negli ospedali preoccupano il mondo della medicina: sembrano diffondersi quasi ovunque. Proprio negli ospedali il controllo della disinfezione diventa sempre più importante. A tal fine vengono regolarmente prelevati tamponi da oggetti disinfettati. I microbi potenzialmente presenti vengono quindi staccati e coltivati su un mezzo nutritivo. Se qualcosa cresce sul mezzo, significa che nonostante la pulizia i microbi erano presenti; se niente cresce, la disinfezione è riuscita. Problema: questo metodo richiede diverse ore o addirittura giorni. "Quattro quinti di questi campioni sono privi di microbi – ma quali, questa è la domanda", dice il Prof. Dr. Michael Kneissl, responsabile del dipartimento di Nanofisica sperimentale e fotonica presso il TU di Berlino.

„Se la superficie di tali campioni viene irradiata con LED UV di lunghezze d'onda diverse, alcune biomolecole nei microbi vengono stimolate a emettere luce. In questo modo si può rilevare una potenziale carica microbica. E non solo: molti microbi resistenti ai farmaci hanno spettri di fluorescenza caratteristici, così che in futuro si potrebbe riconoscerli immediatamente come tali", spiega Michael Kneissl, che è anche vice portavoce del consorzio "Advanced UV for Life". Il consorzio, finanziato dal Ministero federale dell'istruzione e della ricerca (BMBF) con circa 45 milioni di euro e composto da 49 partner, sta sperimentando in 26 progetti in corso nuovi ambiti di applicazione per le LED UV. E ce ne sono molti. Le LED UV utilizzate provengono in gran parte dai laboratori della TU di Berlino e dell'Istituto Ferdinand-Braun, che collaborano nel loro JointLab "GaN Optoelectronics" da oltre un decennio. A seconda della lunghezza d'onda, le possibilità di impiego delle LED UV sono enormemente varie e di grande interesse economico: oltre alla disinfezione, tra i possibili campi di applicazione ci sono la medicina, il trattamento delle acque, la sensoristica dei gas, la litografia o le applicazioni luminose nella coltivazione delle piante.

LED UV per la disinfezione dell'acqua

Le LED, ovvero i diodi luminosi, sono conosciute come successori della lampadina a incandescenza. In definitiva, le LED sono dispositivi semiconduttori che emettono luce convertendo corrente elettrica. A seconda del materiale semiconduttore utilizzato, queste LED possono anche emettere luce nell'intervallo invisibile, come ad esempio la luce UV. Per farlo, si utilizza come materiale semiconduttore una lega di alluminio, gallio e azoto. Questi semiconduttori possono coprire quasi l'intero spettro ultravioletta (210 nm – 400 nm), a seconda del metodo di produzione.

„Un'applicazione particolarmente interessante delle LED UV è il trattamento delle acque", afferma Michael Kneissl. La luce UV con lunghezze d'onda tra 250 nm e 280 nm ha la proprietà di legare i nucleotidi adiacenti nel DNA. Se l'acqua viene irradiata con questa luce UV ad alta intensità, i microbi presenti non possono più riprodursi e muoiono. "Fondamentalmente, questo metodo è ideale per le zone in cui non esiste un sistema di approvvigionamento idrico funzionante, come ad esempio nelle aree colpite da catastrofi", spiega Michael Kneissl. Tradizionalmente, questa luce UV viene prodotta da lampade a vapori di mercurio, con i noti svantaggi di tali lampade: produzione e smaltimento sono complessi, il mercurio è tossico, sono sensibili e hanno una durata di vita limitata. Per l'uso sul cosiddetto "point of use" – cioè l'applicazione immediatamente prima del consumo, come nei paesi del Terzo Mondo o nelle zone colpite da catastrofi – queste lampade sono quasi inadeguate. "Le LED UV, invece, sono molto robuste, innocue, accendibili e funzionabili come semiconduttori anche con energia solare o batterie", conclude Michael Kneissl.

1,8 milioni di euro per un nuovo impianto di epitassia in fase gassosa

Nella ricerca e nello sviluppo di LED UV a onde corte con efficienza e potenza adeguate, Michael Kneissl e il suo team sono considerati tra i leader in Europa. "Per continuare a spingere questa ricerca, il Ministero federale dell'istruzione e della ricerca finanzia ora un ulteriore impianto, del valore di circa 1,8 milioni di euro, per l'epitassia in fase gassosa organico-metallica (MOVPE) presso il TU di Berlino", annuncia il ricercatore. "Le procedure di epitassia sono utilizzate per produrre strati cristallini estremamente sottili, come richiesto nella produzione di semiconduttori. Per realizzare LED specifici, devono essere depositati migliaia di strati definiti, sottili a livello atomico, sul substrato. Questa struttura a strati determina alla fine quanto efficacemente la corrente immessa nel semiconduttore viene convertita in luce UV. A seconda della lunghezza d'onda desiderata, vengono costruiti diversi strati. Il nuovo impianto permette di produrre e testare più rapidamente ed efficientemente i componenti per le LED UV", descrive Michael Kneissl, illustrando la complessità della produzione degli LED. "Nella nostra recente pubblicazione su Nature Photonics, dimostriamo che l'efficienza complessiva delle LED UV è il prodotto delle diverse efficienze parziali. Conosciamo i singoli parametri e lavoriamo per ottimizzarli. In laboratorio, raggiungiamo già un'efficienza paragonabile a quella delle lampade UV tradizionali", conclude il fisico.

Doping luminoso nella coltivazione di ortaggi

Le molteplici possibilità di impiego delle LED UV hanno portato anche il team dell'Istituto Leibniz per la coltivazione di ortaggi e piante ornamentali a concentrarsi sulla nutrizione sana attraverso il cosiddetto cibo funzionale (alimenti con componenti benefiche per la salute). Con una tecnica definita come doping luminoso, le foglie di ortaggi vengono irradiate con UV a bassa dose tra 290 nm e 350 nm. Questa irradiazione regolatoria di UVB stimola in modo mirato il metabolismo secondario delle piante. In risposta, le piante sintetizzano più sostanze secondarie, considerate molto salutari anche per l'uomo. "L'Istituto Leibniz per la coltivazione di ortaggi e piante ornamentali e l'Istituto Ferdinand-Braun collaborano allo sviluppo di moduli LED UV che forniscano lo spettro UV ottimale per questo scopo. L'obiettivo è un proiettore a superficie che possa essere utilizzato in serra per irradiare le piante con una lunghezza d'onda definita e dosata con precisione", conclude Michael Kneissl.