Efficienza naturale: lucciole per lanterne

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Alla luce del giorno, l’impressione non è molto diversa da quella che si ricava nell’osservare mosche al microscopio o scarafaggi di varia foggia. Lo sguardo attonito dei grandi globi oculari, le zampe pelose e le antenne mobili che sporgono esageratamente dalla testolina. Eppure basta la caduta del sole dietro al bosco alla fine del giorno operoso per conferire alle lucciole, queste misterioselucette intermittenti tra i rami di abeti e betulle, un indiscutibile diritto ad appartenere al mondo delle favole e rendere il piccolo scarafaggetto (pardòn, coleottero) fonte d’ispirazione di canti e poemi.
C’è comunque chi ha saputo unire la propria ricerca alle reminiscenze di bambino per ricavarne informazioni sulla possibilità di produrre luminosità con processi ad elevata efficienza imitando la natura.

Due team di scienziati francesi, belgi e canadesi hanno condotto la ricerca al fine di migliorare le capacità della tecnologia LED (Light–Emitting Diode), pubblicandone poi i risultati su Optic Express, la rivista della Optical Society (Osa). Due sono anche le pubblicazioni che ne sono scaturite, la prima che rivela il funzionamento interessante dal punto di vista dell’applicazione tecnologica, la seconda che spiega tale applicazione e le sue potenzialità nel dettaglio.

L’ADDOME DELLA LUCCIOLA

I Lampiridi sono piccoli coleotteri che si distinguono dai loro simili per aver sviluppato nei segmenti terminali del loro addome (uriti) la capacità di emettere luce. La bioluminescenza è dovuta ad una reazione chimica di ossidazione di un substrato organico formato da due sostanze (luciferina ad ossiluciferina)presente all’interno di particolari cellule dette fotociti e grazie ad un enzima che funge da catalizzatore (luciferasi). I segmenti addominali che ospitano il substrato sono trasparenti, sul lato ventrale e riccamente percorsi da trachee che conducono l’ossigeno necessario alla reazione. Quella che viene prodotta è una luce fredda (lunghezza d’onda fra i 500 ed i 650 nm),la cui intensità varia a seconda della specie (ne esistono circa 2000).

Regolando il flusso dell’aria l’insetto può regolare la frequenza del lampeggiamento. Negli adulti la funzione è collegata all’accoppiamento, tanto che alcuni entomologi americani hanno scoperto che alcune femmine sono in grado di modificare la frequenza e la luminosità della propria luce, in modo da simulare la luce delle femmine di altre specie, attirarne i maschi e poi divorarli.

EFFICIENZA NATURALE

Uno dei problemi principali della bioluminescenza delle lucciole, come esaminato nel primo dei due studi degli scienziati(“Improved light extraction in the bioluminescent lantern of a Photuris firefly (Lampyridae)”),è determinato dal problema della rifrazione. La luce prodotta all’interno dei fotociti attraversa uno strato di protezione che fa parte dell’esoscheletro (cuticola) e si diffonde nell’aria. Nel corso di tale “attraversamento” le lunghezze d’onda subiscono variazioni di direzione e grandezza: in parte si trasformano, in parte vengono riflesse verso l’interno. Questo meccanismo è quello su cui si sono concentrati i ricercatori perché è in comune con la tecnologia dei LED: anche in quel caso si hanno delle perdite di efficienza dovute alla riflessione all’interno della zona–sorgente.

Finora altri studi hanno cercato di rivelare i meccanismi messi a punto dalla selezione naturale per ovviare a questo problema, ma si sono concentrati sull’esame delle strutture, sulla cuticola che ricopre l’addome dell’insetto ad una scala nanometrico–molecolare.

L’intuizione di Paul Vigneron (X–Ray imaging group – ESRF Grenoble) è consistita nell’attribuire alla struttura della cuticola su scala micrometrica, dunque molto maggiore rispetto a quella dei precedenti studi, l’efficienza dell’emissione naturale. A questa scala in effetti si osserva una conformazione a scaglie dell’esoscheletro che ricopre l’addome (misfit scales). La funzione di tali scaglie si desume anche dalle loro dimensioni e distanze reciproche, di alcuni micrometri appunto. Esse sono poste come le tegole di un tetto, e tale posizionamento, assieme all’altezza di sovrapposizione, è il fattore determinante per la miglior trasmissione della luce verso l’esterno. I bordi affilati delle scaglie sono i punti in cui maggiormente si concentrare e diffonde la luce, e sono dunque quelli che appaiono più luminosi dall’esterno.

UNA PELLE ARTIFICIALE

Nel secondo studio dunque (“An optimal light–extracting overlayer, inspired by the lantern of a Photuris firefly, to improve the external efficiency of existing light–emitting diode”) si descrive l’implementazione di una “pelle” artificiale da realizzare su LED esistenti, senza intervenire sulla conformazione interna degli stessi.
Nicolas André, (PostDoc, University of Sherbrooke, Canada) ha depositato sulla superficie di un dispositivo LED uno strato di materiale fotosensibile, che ha poi “scolpito” in forma di scaglie delle dimensioni opportune (5μm) per massimizzare la trasmissione della luce, riducendo gli effetti della diffrazione.

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I risultati sono sorprendenti: la trasmissione della luce, e dunque l’efficienza luminosa del LED, aumenta di circa il 55%, regalando a tali dispositivi e al mercato che li promuove un importante margine di capacità energetica ed economica.
La scala micrometrica consente di operare in modo agevole con strumenti non costosi e procedure relativamente semplici, mentre la localizzazione all’esterno del dispositivo permette di ripetere l’applicazione su qualsiasi dispositivo in cui sussista la necessità di correggere le perdite per diffrazione. Sono dunque questi i due fattori che si sono rivelati essenziali per rendere l’intervento riproducibile nell’ambito del mercato dell’illuminazione elettronica.

CONSIDERAZIONI

Annick Bay, del Research center in physics of matter and radiation del dipartimento di fisica dell’Università belga di Namur, che ha guidato entrambi i team di ricerca, spiega su EurekAlert! che «L’aspetto più importante di questo lavoro è che mostra quanto possiamo imparare osservando attentamente la natura».
Del resto è un personaggio immortale come Rita Levi Montalcini, al quale dedico questo articolo paragonando la piccola luce di lucciole e led alla sua incessante e caparbia opera di ricerca e divulgazione, che ci ricorda che “si ritiene… che le facoltà che si manifestano in campo scientifico o si estrinsecano nella scoperta di nuovi fenomeni e leggi universali non differiscano da quelle attivate nella realizzazione di opere d’arte, perché entrambe basate sugli stessi processi cerebrali” (Rita Levi Montalcini, “Abbi il coraggio di conoscere”, edizioni BUR).

Francesco Cherubini

Francesco Cherubini Dottore in Fisica

Nasce ricercatore biofisico per morire progettista HVAC tra ingegneri, architetti e geometri. E’ il classico soggetto che ha una lavatrice a pedali in cantina e l'estate fa campeggio con i pannelli solari e l'impianto a 12 volts autocostruito. Passione per l'artigianato, il rugby e l'essenzialità.

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