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Vedere attraverso gli ostacoli, come muri, porte e materiali opachi, ottenendo dall’esterno una fotografia dettagliata della scena osservata è una abilità con notevoli benefici sia in ambito militare che civile. Tale capacità è, infatti, un utile strumento a supporto della gestione delle operazioni di sorveglianza e di riconoscimento volte a garantire la sicurezza di persone e cose mediante il rilevamento tempestivo di fattori di rischio, tra cui armi e droghe. D’altra parte, essa è ad elevato impatto nelle azioni di soccorso, in cui è richiesta la disponibilità di tecnologie capaci di individuare e localizzare persone intrappolate in una stanza o sotto le macerie.

La distribuzione dei servizi, come quelli idrici ed energetici, si basa su complessi sistemi di tubazioni che consentono il trasferimento dei fluidi tra diversi impianti ed il loro trasporto alle utenze finali. Il monitoraggio ed il mantenimento dell’integrità delle tubazioni è, quindi, essenziale al fine di garantire da un lato la continuità del trasporto e dall’altro la prevenzione e la tempestiva riparazione di cedimenti strutturali che, provocando la fuoriuscita di fluidi, possono causare ingenti danni sia economici che ambientali.

Sfruttando il fenomeno fisico dello scattering di Brillouin indotto è, infatti, possibile rilevare se la tubazione è sottoposta a tensioni che ne possono causare il danneggiamento e misurare entità e direzione delle deformazioni subite. I sensori distribuiti in fibra ottica costituiscono, pertanto, un tassello importante nella realizzazione di sistemi di monitoraggio intelligenti capaci di rilevare real time eventi critici che possono causare il collasso strutturale.

In aggiunta ai sensori i fibra ottica, utili per un monitoraggio tempo continuo su una larga scala, sono da considerare i sistemi diagnostici puntuali, come il georadar. Sfruttando sofisticate strategie di elaborazione del segnale a microonde, come quelle messe a punto dai ricercatori dell’IREA, è, infatti, possibile ottenere immagini ad alta risoluzione della regione spaziale in cui la tubazione è posizionata, attraverso cui determinare la presenza di perdite e stimarne l’entità.

Nonostante l’intensificarsi delle sperimentazioni in vivo e in vitro sulla valutazione degli effetti a lungo termine dei campi elettromagnetici abbia generato, negli ultimi decenni, una vastissima letteratura, ad oggi il dibattito scientifico è ancora aperto sui possibili meccanismi specifici di interazione a bassi livelli di campo responsabili di specifici effetti biologici. Ciò è principalmente dovuto alla notevole eterogeneità delle ricerche e alla scarsa riproducibilità delle stesse. Le sperimentazioni in vitro eseguite dai ricercatori dell’ IREA in condizioni controllate e quindi riproducibili rappresentano un valido strumento per la comprensione dei meccanismi di interazione e la verifica delle ipotesi di meccanismo ad oggi formulate. La comprensione dei meccanismi rappresenta un punto chiave sia nella definizione degli standard di sicurezza sia nello sviluppo di applicazioni mediche.        

Dal punto di vista applicativo, i risultati sperimentali possono essere essenziali per la revisione dei limiti di esposizione a campi elettromagnetici. Infatti, i limiti attualmente fissati dalla comunità europea e dalla legislazione nazionale per le esposizioni della popolazione a campi elettromagnetici nel range 0 Hz-300 GHz sono basati sugli effetti termici. Essi, sebbene allo stato attuale delle conoscenze,  garantiscono la salvaguardia della salute, non tengono conto degli effetti biologici di natura non termica che potenzialmente possono insorgere soprattutto nel caso di media e lunga esposizione.   

Secondo uno studio recentemente svolto dall’Environmental Protection Agency (EPA), un sistema di allarme per il monitoraggio della qualità dell’acqua potabile dovrebbe essere in grado di dare risposte immediate rilevando con elevata sensibilità una vasta gamma di potenziali sostanze inquinanti e minimizzando il numero di falsi positivi e falsi negativi. Tale sistema dovrebbe, anche, presentare un buon livello di automazione e semplicità d’uso.

Ad oggi, un simile sistema non esiste e quelli attualmente in uso monitorizzano la qualità dell’acqua: (i) misurando continuativamente un ridotto numero di parametri fisico/ chimici (pH, eH, temperatura, conduttività, torbidità); (ii) effettuando analisi periodiche in laboratorio su campioni. Non esiste pertanto alcun sistema in grado di fornire allarmi in tempo reale del verificarsi di una contaminazione accidentale o dolosa.

La realizzazione di un sistema innovativo per il monitoraggio capillare ed in tempo reale della qualità dell’acqua potabile, in grado di soddisfare i requisiti delineati EPA, richiede l’integrazione di diverse tipologie di sensori, tra cui sensori ottici ed elettromagnetici. E’, infatti, possibile rilevare sostanze inquinanti organiche e microorganismi tossici sfruttando la loro fluorescenza naturale, emessa quando illuminati da una luce UV (260-400nm), ed usando la tecnologia microfluidica per prelevare in modo attentamente controllato i campioni di acqua. D’altra parte, la presenza di sostanze inquinanti determina un’alterazione delle caratteristiche elettromagnetiche (conducibilità specifica, permittività) del campione, che possono essere rilevate mediante tecniche di diagnostica a microonde.

Tra i sensori optofluidici recentemente progettati e realizzati presso l’IREA, sono da annoverare quelli basati su guide d’onda a getto. In tali dispositivi viene sfruttata la proprietà di guida offerta da un getto liquido per veicolare segnali utili a fini di sensing.

Illuminando in direzione ortogonale il getto d’acqua mediante radiazione UV, la luce fluorescente prodotta dalle sostanze inquinanti resta intrappolata all’interno del getto, per il fenomeno della riflessione interna totale (TIR), e convogliata poi ad una fibra ottica che trasporta il segnale ad un rivelatore. Tale approccio elimina completamente inconvenienti che tipicamente affliggono altre metodologie, dovuti alla presenza di strutture solide in cui inglobare la guide d’onda e la soluzione da esaminare.

Sensori optofluidici basati su guide d’onda a getto, hanno permesso la rivelazione a bassissime concentrazioni di numerose sostanze inquinanti, come idrocarburi aromatici (ad esempio: benzene, toluene, xilene e naftelene) e di batteri, come il Bacillus Subtilis (noto come simulante dell’antrace) o la Microcystis Aeruginosa (legata a fenomeni di eutrofizzazione delle acque).

Nell’ambito del progetto ACQUASENSE, sono state testate differenti versioni di tali dispositivi che hanno poi dato luogo alla realizzazione di un dispositivo portatile.

L’interesse suscitato per le ricerche svolte è testimoniato da diversi importanti media del settore:

Optical Society of America (OSA) (http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/newsreleases/2013/naked_jets_of_water_make_a_better_pollutant_detect/)

Optics & Photonics News - December 2013 (http://www.opnmagazine-digital.com/opn/december_2013?pg=14#pg14)

Photonics Magazine OPLI (http://www.opli.net/opli_magazine/eo/2013/naked-jets-of-water-make-a-better-pollutant-detector/ )

Science Daily (http://www.sciencedaily.com/releases/2013/10/131003162942.htm )

Photonics Spectra (http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=55429 )

Red Orbit (http://www.redorbit.com/news/science/1112966652/naked-jets-water-better-way-to-detect-pollutants-100413/

Lo studio degli effetti cooperativi tra campi elettromagnetici e altri agenti, ossia la valutazione degli effetti di esposizioni combinate ai campi e agenti chimici o fisici, compresi gli inquinanti ambientali offre molteplici applicazioni.  In primo luogo si potrà stabilire se l’esposizione ai campi è in grado di potenziare l’azione di agenti tossici contribuendo alla promozione del cancro. In secondo luogo, grazie all’analisi del comportamento di sostanze chimiche dal noto meccanismo d’azione in presenza dei campi,  si potranno ottenere informazioni sul meccanismo d’azione dei campi elettromagnetici di basso livello.

L’ impiego di nanoparticelle offre grandi potenzialità e nuove prospettive in applicazioni diagnostiche e terapeutiche. Nonostante il rapido progresso e l’accettazione iniziale della nanobiotecnologia, gli effetti avversi sulla salute umana dovuti ad esposizione prolungata a varie concentrazioni di materiale nanometrico non sono stati ancora stabiliti. Nell’intervallo nanometrico, i materiali possono presentare caratteristiche chimico-fisiche ben diverse rispetto alle particelle di dimensioni più grandi ma di uguale composizione. Proprietà quali l’elevata area superficiale, l’alta reattività chimica e la capacità di attraversare le membrane cellulari che vengono sfruttate dalla ricerca e dall’industria, sono le stesse che potrebbero determinare effetti avversi. Infatti il comportamento delle nanoparticelle all’interno delle cellule, insieme alla risposta metabolica e immunologia è ancora poco chiaro. Al fine di identificare gli effetti avversi a livello cellulare che potrebbero dar luogo ad effetti sanitari, la valutazione della citotossicità delle nanoparticelle mediante tecniche sensibili è un approccio essenziale.