“Oggi la nostra vita è profondamente intrecciata con strumenti digitali, piattaforme e dispositivi che utilizziamo in modo automatico, senza davvero chiederci come funzionino. I giovani, in particolare, non dovrebbero limitarsi a essere semplici utenti ma comprenderne i meccanismi, i linguaggi e le potenzialità. Solo così potranno diventare gli innovatori di domani. Tutto parte dalla consapevolezza: fermarsi, osservare ciò che abbiamo tra le mani e domandarci cosa si nasconda dietro la tecnologia che usiamo ogni giorno”.
Con questa riflessione si apre l’intervista al Professor Lorenzo Colace, ingegnere elettronico e professore ordinario all’Università Roma Tre, che abbiamo incontrato per la Società Italiana di Elettronica.
Il Prof. Colace, insieme al suo gruppo di ricerca, si occupa di progettazione, realizzazione e test di dispositivi elettronici e optoelettronici compatibili con la tecnologia del silicio.
“È un settore estremamente innovativo, perché questa tecnologia, la microelettronica, è la principale fin dagli anni ’50, da quando è stato inventato il transistor, e da allora ha seguito un’evoluzione rapidissima. Per decenni la sua crescita è stata descritta dalla cosiddetta Legge di Moore: ogni 18 mesi circa la capacità di integrazione raddoppiava grazie alla possibilità di miniaturizzare ulteriormente i dispositivi e inserirne sempre di più all’interno di un singolo chip di silicio. Questo processo, però, sta raggiungendo un limite. Ridurre ancora le dimensioni dei transistor alla stessa velocità di un tempo è diventato estremamente difficile: parliamo ormai di elementi grandi pochi atomi, quindi vicini ai limiti fisici. Finché è stato possibile, il percorso “mainstream” della tecnologia consisteva nel rinnovare l’infrastruttura produttiva, dimezzare le dimensioni dei dispositivi elementari, aumentarne il numero a parità di area e quindi ottenere più funzioni, maggiore velocità e una potenza di calcolo quasi raddoppiata a ogni ciclo. Recentemente, di fronte a questo rallentamento, oltre agli sforzi per continuare a seguire il trend (More Moore), sono nate nuove strategie, chiamate Beyond Moore e More than Moore. La prima punta a realizzare dispositivi con architetture diverse o principi di funzionamento diversi, per cercare di proseguire comunque la scalabilità. La seconda, invece, mira a dare al silicio funzionalità aggiuntive, integrando nella tecnologia tradizionale del silicio nuovi materiali e nuove capacità che il silicio, da solo, non potrebbe offrire. Ed è proprio su questo fronte che lavoriamo noi: non cercare di aumentare ancora il numero di dispositivi, ma far sì che possano svolgere più funzioni, ampliando ciò che la microelettronica su silicio è in grado di fare”.
Questa è la principale linea di ricerca che il Prof. Colace e il suo gruppo hanno perseguito negli anni, integrando al silicio anche il germanio, in modo da renderlo sensibile a lunghezze d’onda alle quali, da solo, il silicio non sarebbe in grado di operare.
“Per chiarire, le telecamere basate sul silicio hanno uno spettro di visibilità simile a quello dell’occhio umano: catturano la luce visibile, ma non riescono a percepire l’infrarosso. L’aggiunta del germanio, invece, permette di estendere il campo di visibilità anche all’infrarosso. Combinando silicio e germanio, diventa quindi possibile aumentare significativamente le capacità di indagine di una telecamera. Inizialmente, il gruppo di ricerca ha perseguito questo obiettivo sviluppando singoli fotorivelatori, fondamentali per le comunicazioni ottiche a lunghezze d’onda in cui il silicio da solo non è efficace, conferendo così all’elettronica in silicio nuove funzionalità. Successivamente, il lavoro si è concentrato sullo sviluppo di sensori di immagine completi, cioè telecamere in grado di estendere la sensibilità spettrale dei dispositivi. Queste telecamere non solo ampliano il campo visivo oltre quello dell’occhio umano, ma consentono anche analisi spettrali delle immagini: è possibile capire, in base alle proporzioni di luce visibile e infrarossa, informazioni aggiuntive sulle forme e sui materiali osservati. Ad esempio, una telecamera tradizionale non può distinguere se un oggetto è plastico o metallico semplicemente osservando l’immagine, mentre l’analisi spettrale lo rende possibile grazie alle diverse proprietà ottiche dei materiali”.
Da queste ricerche è nata la startup EYE4NIR che il Prof. Colace ha fondato in collaborazione con il Politecnico di Milano, concentrandosi principalmente su telecamere con estensione spettrale nell’infrarosso. Un esempio di come i risultati della ricerca possano essere valorizzati e trasferiti in ambito industriale.
“Le applicazioni di queste tecnologie sono numerose. In ambito sicurezza, per esempio, la sensibilità all’infrarosso vicino migliora la visibilità delle telecamere in condizioni difficili, come nebbia o fumo. Un’altra applicazione riguarda il riconoscimento dei materiali, utile ad esempio per la raccolta differenziata automatizzata. Nel settore medico, telecamere sensibili a questo intervallo spettrale potrebbero offrire vantaggi significativi: oggi esistono già dispositivi simili, ma sono realizzati con materiali costosi come composti a base di arseniuro di gallio e indio, mentre il silicio permetterebbe soluzioni più economiche e accessibili. Altre linee di ricerca del gruppo riguardano lo sviluppo di sensori ottici e chimici basati su materiali nanostrutturati, come i quantum dot colloidali. Queste nanoparticelle, sintetizzate in soluzione, rendono possibile creare materiali sensibili alla luce o a specifiche molecole, con applicazioni per la salute e la sicurezza. Infine, anche il campo del fotovoltaico, con celle solari innovative realizzate con materiali “esotici”, che potrebbero migliorare l’efficienza o abbattere significativamente i costi di produzione e aprire così nuove possibilità nel settore dell’energia sostenibile”.
L’ingegnere nel futuro dell’optoelettronica
Il percorso formativo tradizionale dell’ingegneria elettronica comprende discipline come elettronica analogica, semiconduttori, optoelettronica e misure, con ampio spazio alla sperimentazione e alla caratterizzazione dei dispositivi. Il Prof. Colace ha sottolineato che si tratta di competenze ormai consolidate, ma che sono estremamente richieste dal mondo industriale, soprattutto per il loro valore pratico.
“Le sfide del settore sono molteplici, ed è proprio per questo che il mercato del lavoro cerca queste figure specializzate senza riuscire a trovarle facilmente. Un esempio chiave è l’intelligenza artificiale: se oggi sembra un tema esclusivamente informatico, in realtà alla base c’è un’attività di ingegneria elettronica molto complessa e articolata. I mega-server che immagazzinano e rielaborano enormi quantità di dati necessitano di memorie velocissime e processori potenti, progettati e realizzati dagli ingegneri elettronici. L’AI è un concetto presente da oltre 40 anni, ma solo con l’elettronica moderna è diventata realmente praticabile. Un’altra area dove l’ingegnere elettronico trova spazio riguarda la sensoristica: l’AI si nutre anche di informazioni provenienti da sensori di temperatura, pressione, immagini e dispositivi IoT, creando una vera e propria rete capillare di dati che alimenta sistemi intelligenti. Senza elettronica avanzata, questo flusso di informazioni non potrebbe esistere. Settori come l’automotive, la salute, la difesa e il gaming dipendono anch’essi dall’elettronica in modo trasversale, dimostrando quanto la disciplina sia centrale in ambiti diversi”.
Attraverso le tante attività di orientamento nelle scuole, il professor Colace ha capito che spesso i giovani non conoscono davvero le opportunità offerte dall’ingegneria elettronica.
“Molti hanno un’idea antiquata dell’ingegnere elettronico, come se fosse solo un tecnico che costruisce circuiti. In realtà, oggi è una figura professionale trasversale, con possibilità di carriera in ambiti sorprendenti. Chi si forma in elettronica può scegliere tra salute, difesa, automotive, gaming e molto altro. Raccontare concretamente cosa fa un ingegnere elettronico può spostare l’interesse dei ragazzi verso una disciplina ricca di prospettive, ben oltre la semplice costruzione di circuiti e dispositivi”.
