Create lenti a contatto per vedere negli infrarossi, anche a occhi chiusi

Sono state sviluppate con nanoparticelle che permettono di percepire la luce nel vicino infrarosso, pure quando gli occhi sono chiusi, estendendo così i limiti naturali della visione umana
di Celeste Ottaviani
www.lescienze.it

Superman può vedere attraverso gli oggetti con la vista a raggi X, mentre Ciclope è in grado di emettere un potentissimo raggio laser dagli occhi. Se per gli esseri umani tutto ciò è ancora lontano dal realizzarsi, ora potranno almeno consolarsi con la visione degli infrarossi. Scienziati dell’Università di scienza e tecnologia della Cina sono infatti riusciti a creare speciali lenti a contatto che estendono lo spettro visibile e permettono di percepire, oltre alla luce a cui siamo abituati, anche quella infrarossa. E che addirittura, come riferito nello studio pubblicato su “Cell”, permettono di osservare queste radiazioni elettromagnetiche anche con gli occhi chiusi.

Gli esseri umani riescono a percepire solo una piccolissima parte di tutte le possibili lunghezze d’onda dei fotoni, pari a meno di un centesimo dell’intero spettro elettromagnetico. Riusciamo cioè a vedere solamente la luce nelle lunghezze d’onda comprese, all’incirca, tra 390 e 700 nanometri. Ciò è dovuto alle proprietà fisiche di alcune specifiche molecole contenute nei bastoncelli della retina, chiamate rodopsine.

Le rodopsine sono composte da un pigmento che reagisce alla luce, il retinale, legato a una proteina, l’opsina.

“Si tratta di una classe di molecole coinvolte nella visione, non solo umana, ma anche animale” ha spiegato Nicola Tirelli, responsabile scientifico del gruppo di ricerca su polimeri e biomateriali dell’Istituto italiano di tecnologia (IIT), che non ha partecipato allo studio. “La visione è legata a un processo di conversione dell’energia luminosa, i fotoni, in energia meccanica. Quando la luce colpisce le cellule all’interno dell’occhio, il retinale contenuto nella rodopsina assorbe questa radiazione e subisce un processo di isomerizzazione, modificando la propria forma. Questo cambiamento attiva un meccanismo che permette l’invio di un impulso nervoso che giunge al cervello attraverso il nervo ottico.”

“La rodopsina funziona quindi come una sorta di interruttore che innesca il segnale visivo quando colpita da un fotone, convertendo un’energia legata alla frequenza della particella, in cambiamenti strutturali e in segnali visivi”, ha puntualizzato l’esperto. “Se l’energia del fotone è, però, troppo grande o troppo piccola, queste molecole non reagiscono, e ciò è proprio quello che avviene nel caso delle radiazioni infrarosse, facendoci perdere la percezione visiva di quasi la metà delle lunghezze d’onda emesse dal Sole”.

Gli infrarossi, che vanno dai 700 nanometri a 1 millimetro, possono essere divisi in diverse bande e tra queste, quella del vicino infrarosso, o NIR (da near–infraredradiation), si trova appena al di fuori della gamma di lunghezze d’onda che il nostro occhio può normalmente rilevare. Per superare questo limite ed estendere la visione umana oltre le sue capacità naturali e includere la banda NIR, gli autori dello studio hanno creato speciali lenti a contatto contenenti nanoparticelle inorganiche, di dimensioni inferiori a 50 nanometri, in grado di assorbire la radiazione infrarossa e ri-emetterla in forma di luce visibile.

Questo fenomeno fisico prende il nome di upconversion e avviene quando “un materiale assorbe dei fotoni a più bassa energia – quindi con maggiore lunghezza d’onda e minore frequenza – e ne riemette altri, in numero inferiore, ma a energia maggiore”, ha chiarito Tirelli.

Per fare ciò gli scienziati si sono serviti di nanocristalli trasparenti al cui interno sono state inserite coppie di ioni della classe dei lantanidi, nello specifico itterbio ed erbio, proprio per la loro capacità di agire insieme e assorbire, il primo, la luce a circa 980 nanometri e, il secondo, di trasformarla in una radiazione visibile all’occhio umano con una caratteristica emissione di colore verde. “Questi elementi sono tra gli unici in grado di effettuare questa conversione in quanto sono caratterizzati da un enorme numero di elettroni”, ha sottolineato l’esperto.

“Per ottenere le lenti a contatto, le nanoparticelle sono state quindi inglobate all’interno del poliidrossietilmetacrilato, o pHEMA, un polimero flessibile e trasparente usato per la fabbricazione di lenti”, ha riferito Tirelli.

Uno dei principali problemi in cui si sono imbattuti i ricercatori è stato trovare le giuste condizioni di indice di rifrazione, dimensione e concentrazione delle particelle, tali da garantire la trasformazione della radiazione infrarossa in luce visibile, senza però alterare le proprietà ottiche delle lenti, compresa la loro trasparenza e biocompatibilità.

Superato questo ostacolo, gli autori dello studio sono riusciti a ottenere la conversione senza bisogno di ricorrere a batterie o apparecchiature ingombranti, come quelle attualmente in commercio, quali le telecamere di sicurezza a infrarossi e i visori notturni, ma sfruttando una trasformazione quasi diretta dei fotoni assorbiti in fotoni emessi.

Le lenti a contatto sono state quindi testate su volontari che sono riusciti a osservare la luce infrarossa emessa da alcuni LED e, addirittura, a cogliere messaggi in codice Morse e a distinguere la direzione di provenienza della luce. Ma non solo. Le lenti hanno permesso di percepire stimoli visivi anche quando i partecipanti avevano gli occhi chiusi perché le palpebre sono trasparenti al vicino infrarosso.

Il prossimo passo dei ricercatori sarà migliorare la nitidezza percepita della luce e sviluppare lenti che permettano una visione a colori delle differenti lunghezze d’onda dell’infrarosso