Dell’importanza della terza missione e di chi dovrebbe farla

Anche se negli ultimi mesi non sono mancati articoli importanti, molto ben scritti ed esaustivi, che ponevano critiche piuttosto feroci nei confronti della cosiddetta terza missione, più di recente la discussione è esplosa anche a livello di social media, a partire da un articolo di opinione a firma di Claudio Giunta, pubblicato da Il Post, che a sua volta partiva da questo articolo di Claudio Marazzini.

Chi è già dentro il mondo universitario ha sicuramente ben presente di cosa si sta parlando, per gli altri basti sapere che la terza missione, che si affianca alla prima missione (la didattica) e alla seconda (la ricerca), è un insieme di attività che mirano a trasferire conoscenze e innovazioni al di fuori del contesto accademico, creando un impatto diretto sul territorio e sulla società. Si snoda principalmente in due diverse strade: una rivolta alle aziende, con la creazione ad esempio di start-up che si affiancano alla ricerca accademica, o con la pubblicazione di brevetti e licenze per l’utilizzo delle tecnologie e dei metodi che la ricerca ha creato, e l’altra invece rivolta alla comunità, quella che viene comunemente indicata come divulgazione, in cui figurano attività come seminari, festival o la famosa notte dei ricercatori.

Sono tutte attività che portano via una gran quantità di tempo ed energie, che vengono pertanto sottratte proprio alla ricerca che dovrebbe essere il lavoro primario di un ricercatore.

E io sono assolutamente d’accordo.

Molti immaginano la vita del ricercatore come a metà fra quella avventurosa di un Indiana Jones o un (più realistico) Charles Darwin e quella fatta di provette e lavagne piene di formule complesse, come quella di Einstein o Marie Curie. In realtà fare il ricercatore è un lavoro che, pur pieno di soddisfazione e se vogliamo divertimento, spesso è fatto anche di burocrazia, come quella legata all’ANVUR (Agenzia Nazionale di Valutazione del Sistema Universitario e della Ricerca) con tutti i suoi punteggi e le sue valutazioni, o quella legata alla ricerca di finanziamenti che costringono spesso il ricercatore a dover fare vero e proprio marketing. Nel caso poi dei professori, vi si deve aggiungere le ore dedicate a una didattica che si evolve e che non è più soltanto lezione frontale ma laboratori, workshop, incontri e quant’altro. Per non parlare della corsa alla pubblicazione che, almeno nell’ambito scientifico, crea storture tutte sue su cui non mi soffermerò.

Quello su cui non sono invece per nulla d’accordo è la conclusione per cui la terza missione sia di scarsa importanza, in particolare nelle discipline umanistiche. 

Non sono una grande fan di una distinzione così netta fra discipline umanistiche e scienza, perché spesso si tende sempre a sminuire una in favore dell’altra, con la scienza che è “utile” (aggettivo usato sia come insulto che come vanto) e il sapere umanistico relegato (o esaltato) a puro diletto mentale. Trovo che sia davvero ingiusto e sminuente nei confronti di entrambi questi rami del sapere, assai più intrecciati di quanto pensiamo, anche a causa di una divisione manichea e artificiale che ci viene inculcata fin dalla scuola.  E credo fermamente che la cultura, che sia scientifica o umanistica, debba far parte integrante della vita della società a 360 gradi. Università ed enti di ricerca, come principali attori nella produzione di questo sapere, sono a mio parere fondamentali anche nella diffusione di questo sapere, in particolare nella società “civile”. Ma allora come conciliare questa fondamentale necessità con la consapevolezza che un ricercatore ha bisogno di potersi focalizzare sulla produzione di questo sapere?

In tutti questi ragionamenti, articoli, lamentele, come abbiamo visto giustificate dal punto di vista di un ricercatore, c'è una grande assenza: non viene mai nominato, neanche una volta, chi effettivamente per lavoro si occupa di questo. Di disseminazione della cultura. Insomma, di terza missione.

Quando si parla di divulgazione (scientifica o umanistica che sia) si pensa immediatamente ai Barbero e ai Piero Angela, a chi gira video su YouTube e su Instagram, a chi gira l’Italia con gli spettacoli ai festival della scienza e alle fiere del libro. Eppure il mondo della divulgazione (scientifica, che è quello di cui faccio parte e che è il mio lavoro, ma esistono molti esempi anche in ambito umanistico) è assai variegato e composto da professionisti che lavorano in tanti ambiti diversi, come ad esempio proprio l’università e i centri di ricerca.

Un divulgatore che lavora all’interno dell’accademia si occupa di organizzare e coordinare tutte le attività di terza missione che il dipartimento di cui fa parte mette in atto, dalla notte dei ricercatori, dove ad esempio si trova a dover organizzare laboratori, visite o dimostrazioni dei progetti di ricerca anche in ambienti esterni come piazze o exhibiter, ai seminari rivolti agli studenti delle scuole secondarie, in cui ad esempio necessario non solo occuparsi di creare e mantenere i contatti con docenti e dirigenti scolastici, ma anche e soprattutto affiancare i relatori stessi nella preparazione del seminario rivolto a un target estremamente preciso e spesso difficile da gestire. Sempre più istituzioni, inoltre, collaborano con l’accademia per la creazione di mostre ed eventi dedicati alla cittadinanza, che non hanno solo il ruolo di far conoscere l’università, ma che dovrebbero soprattutto contribuire a creare una cittadinanza più consapevole sui temi della scienza e della cultura, attività che richiedono una expertise che ovviamente i ricercatori non possono e non sono tenuti ad avere. Naturalmente chi si occupa di fare comunicazione della scienza in una università o in un centro di ricerca lavora a stretto contatto con i ricercatori che sono la sua fonte primaria e li prepara e affianca nel caso sia richiesta la loro presenza fisica in alcune attività (perché non si può prescindere dalla presenza dei ricercatori quando si comunica la ricerca, in un modo o nell’altro) e in generale si ritrova a dover gestire situazioni molto diverse da caso a caso, a seconda del dipartimento in cui si trova a lavorare e dei ricercatori stessi con cui deve interagire. Ovviamente questo non porta a zero il tempo speso da chi vuol partecipare alla terza missione, ma lo riduce drasticamente, oltre ad innalzarne la qualità e l’impatto, come spesso accade quando a occuparsi di qualcosa è chi ha effettivamente la formazione giusta per farlo.

Questa del “divulgatore in accademia” è una figura che, da ormai alcuni decenni, in molti Paesi esteri, specialmente anglosassoni, è ben diffusa e riconosciuta, direi istituzionalizzata, e in italia si sta iniziando a intravedere qui e là. Ciò che manca è appunto una organizzazione istituzionalizzata di questa figura, la cui presenza è ancora molto dipendente da quanto tal dipartimento o istituto è "illuminato" e dalle risorse finanziarie a sua disposizione, con evidenti grandi disparità territoriali.

Ne deriva un insieme di figure dall'inquadramento contrattuale nebuloso, per lo più assunte con assegni di ricerca che di ricerca hanno pochissimo perchè, appunto, il mestiere è un altro, o con inquadramenti come co.co.co o ancora come tecnologi.

Fa quindi un po’ tristezza, e un po’ rabbia, che quando si parla di terza missione, e di come questa porti via del tempo al lavoro di ricerca, il primo pensiero sia sempre quello di eliminare un qualcosa che viene considerato in fin dei conti superfluo e poco importante e mai quello di chiedere che a fare un lavoro fondamentale per la nostra società sia chi, alla fine, per quel lavoro si è formato e che ne ha le competenze.

La Vista delle Piante

Le piante ci vedono?
Ovviamente tutti sappiamo che le piante non hanno occhi, e per moltissimo tempo si è creduto che non possedessero nemmeno la vista. 
In realtà prima di tutto bisognerebbe capire e definire precisamente cos'è la vista. 

Ci viene naturale associare l'atto di vedere alla presenza di occhi, e forse se si parla del regno animale questo può essere anche vero, ma cosa si può dire delle piante?
Secondo molte definizioni oggi accettate dalla scienza la vista è il "senso della luce e degli oggetti illuminati". Questo cambia tutto nella nostra percezione di che cosa vuol dire vedere e di che cos'è la vista, e cambia tutto ciò che abbiamo sempre creduto di sapere sulle piante.

La luce è il cibo delle piante: la fotosintesi

Basta pensare a un girasole per capire che le piante non sono affatto immuni agli stimoli luminosi.
Ma non solo, facendo una passeggiata in un bosco ci si accorge subito di come alberi e piante di vario genere siano impegnate in una lotta senza esclusione di colpi per ricevere fino all'ultimo raggio di sole disponibile. 
E come dar loro torto? 
In fondo dobbiamo pensare che la luce solare è la loro più importante fonte di sostentamento, il loro cibo se vogliamo, la portata principale della loro dieta basata sulla fotosintesi.
La Fotosintesi Clorofilliana è un processo biochimico che permette alle piante di sintetizzare il glucosio di cui hanno bisogno utilizzando la luce solare come fonte di energia.
E' un processo composto da due fasi:

• Fase Luminosa: grazie al pigmento verde chiamato clorofilla, le piante catturano la luce solare dando inizio a una serie di reazioni chimiche che portano alla formazione di molecole denominate ATP e NADH.

• Fase Oscura o Ciclo di Calvin: in questa fase la pianta usa l'ATP e la NADH prodotte durante il giorno per trasformare l'anidride carbonica che prende dall'atmosfera in molecole di Glucosio o di altre componenti necessarie alla sua sopravvivenza.

Lo scarto di questo complesso processo biochimico è l'Ossigeno.
Certo, in una serie di reazioni così elaborate intervengono anche moltissimi altri nutrienti, come l'acqua e i sali minerali, che la pianta assorbe attraverso le radici; si può tuttavia dire che la luce è il motore principale della Fotosintesi e la pianta ha un bisogno disperato di trovarla.

Piante che seguono il sole: il Fototropismo

Se la luce è così importante, non sorprende che le piante abbiano sviluppato un'incredibile capacità di muoversi verso di essa, modificando la posizione delle foglie ma anche crescendo nella sua direzione.
Questo movimento è detto Fototropismo. 
Quando due piante si trovano a vivere molto vicine la competizione per la luce è una faccenda molto reale, perchè la più alta fa ombra alla più bassa. 
Questo porta le piante a crescere più rapidamente in altezza per superare la rivale, una competizione chiamata fuga dall'ombra, e che era noto fin dall'antica grecia!
Se mettiano una piantina in una scatola chiusa e lasciamo una sola apertura per far entrare la luce, noteremo che quella pianta crescerà nella direzione del foro fino a uscirne per ricevere più luce possibile.

Esempio di Fototropismo

Il Fototropismo è un comportamente che è stato a lungo ignorato e sottovalutato, ma che esperimenti più recenti hanno studiato più approfonditamente, scoprendo che le piante sono davvero molto più intelligenti di quanto non pensassimo.
Una crescita rapida come quella della fuga dall'ombra, ma anche il dirigersi deliberatamente verso la fonte luminosa, denota un complesso calcolo dei rischi e dei benefici; ci vuole un gran dispendio energetico, infatti, potrebbe addirittura essere fatale, eppure il beneficio rappresentato dalla luce vale l'investimento fatto.

Occhi chimici

Se è evidente, quindi, che le piante hanno percezione della luce e si muovono per raggiungerla, è altrettanto evidente però l'assenza di occhi.

Come fa quindi la pianta a vedere la luce?

Grazie a una serie di molecole che agiscono da fotorecettori, in grado cioè di ricevere e trasmettere informazioni sulla direzione da cui  i raggi luminosi provengono e sulla loro qualità

La pianta, infatti, non è solo in grado di riconoscere la luce dall'ombra, ma riesce ad avere informazioni anche sulla sua lunghezza d'onda.

Questi fotorecettori sono: i fitocromi, le fototropine e i criptocromi.

Strutture dei fotorecettori

Queste molecole sono proteine sensibili a specifiche lunghezze d'onda della luce (il rosso, l'infrarosso, il blu e l'ultravioletto). Quando la luce le colpisce, modificano la loro struttura e la loro conformazione inviando così un certo segnale alla pianta che fornisce tutte le informazioni necessarie perchè veda.

Se nell'uomo e negli animali più evoluti i fotorecettori si trovano nell'occhio e l'impulso elettrivo viene inviato al cervello, nelle piante non abbiamo nè occhi nè cervello. 

Dove sono posizionati quindi questi recettori?

Nel mondo vegetale, tutte le facoltà sono presenti su tutta la pianta, e lo stesso vale per i fotorecettori che servono a percepire la luce. La maggior parte di essi sono situati sulle foglie, ma ce ne sono anche sullo stelo, i viticci, i germogli e persino nel legno cosiddetto verde.

E' come se la pianta fosse ricoperta di migliaia di minuscoli occhi.

Nel 1905 il botanico Gottlieb Haberlandt ipotizzò persino la presenza sulla pianta di piccoli ocelli, una sorta di occhio primitivo formato da minuscole lenti concave o convesse, esattamente come il cristallino che si trova nella struttura degli occhi umani, che oltre all'idea di luce restituiscono alla pianta anche le forme. 

Schema di un ocello

Le teorie di Haberlandt non hanno mai trovato una conferma sperimentale, ma sicuramente negli ultimi anni il mondo vegetale ha riacquistato dignità presso gli scienziati, che si sono resi conto sempre di più di come le piante non siano semplicemente degli esseri immobili. L'intelligenza delle piante è sempre più studiata e sempre più evidente studio dopo studio, e ora che gli esperimenti rivelano anche un po' del modo in cui percepiscono il mondo, dobbiamo riconoscere evidentemente come molto più che un ornamento.

Chissà, forse la conoscenza dell'intelligenza vegetale a partire dalla comprensione di come vedono e sentono il mondo, può aiutarci non solo a vivere meglio e in armonia con loro sul nostro pianeta, ma anche a dare una svolta alla nostra ricerca di intelligenze aliene.

Fosfina nell'atmosfera di Venere

 

Quando pensiamo a pianeti che possono ospitare la vita certamente Venere non è il primo che ci viene in mente: nonostante dimensioni e massa siano simili a quelle terresti la sua atmosfera è composta quasi interamente da Anidride Carbonica, ha una pressione di 92 atm, una temèperatura di circa 380°C e piogge di acido solforico.

Un bel posticino quindi.

Ultimamente però si è iniziato a rivalutare questo pianeta come possibile pianeta ospitale per la vita, in particolare ci si è concentrati su alcuni strati della sua atmosfera che si trovano a circa 50 km dalla superficie e che presentano condizioni di temperatura simili a quelle terrestri (che definiamo temperate) e di pressione atmosferica.

E' proprio qui, in queste nubi, che gli scienziati hanno rilevato la presenza di una molecola molto semplice eppure molto importante: la fosfina.

Fosfina: chimica e biochimica

La fosfina è una semplice molecola composta da un atomo di fosforo legato a tre atomi di idrogeno.

Possono esserci anche dei derivati che al posto dell'idrogeno presentano dei gruppi alchilici o arilici.

Si prepara industrialmente in vari modi: facendo reagire fosforo bianco con idrossido di sodio (reazione che produce anche ipofosfito di sodio come sottoprodotto), tramite l'idrolisi di un fosfuro di metallo quali il fosfuro di alluminio o il fosfuro di calcio, oppure campioni puri  possono essere preparati usando l'azione dell'idrossido di potassio sullo ioduro di fosfonio.

Sono molto utili in tante reazioni chimiche, in particolare i derivati fenilici delle fosfine sono usati insieme a catalizzatori metallici in una importante reazione della sintesi organica che permette di formare nuovi legami C-C (la reazione di Sonogashira).

Un altro modo in cui la fosfina può essere prodotta è tramite l'azione di alcuni batteri anaerobici, cioè che vivono in assenza di opssigeno, e per questo motivo può essere considerata un indicatore della presenza di forme di vita su pianeti ed esopianeti. 

 

Fosfina su Venere

Le misurazioni dell'atmosfera di Venere sono state fatte sfruttando una particolare banda di assorbimento della fosfina, utilizzando una tecnica spettroscopica e le osservazioni di due differenti telescopi ottenute autonomamente.

La presenza di PH3 nell'atmosfera è stata quindi confermata oltre ogni ragionevole dubbio ed è stata stimata essere di circa 20 ppb (parti per miliardo).

Restava da capire, escludendo ovviamente la presenza di laboratori ed industrie sulla superficie, se qualche evento naturale potesse essere responsabile.

La presenza di PH3 implica una fonte atmosferica, superficiale o sotterranea di fosforo, o la consegna dallo spazio interplanetario. Gli unici valori misurati del fosforo atmosferico su Venere provengono dalle sonde di discesa Vega 32 , che erano sensibili solo al fosforo come elemento, quindi non era in grado di distinguere le varie forme e molecole in cui si presenta, ma nessuna specie di fosforo è stata segnalata sulla superficie planetaria.

spettri JCMT e ALMA dell'intero pianeta attraverso l'intera banda
passante comune a entrambi i set di dati.

La maggior parte del fosforo presente nell'atmosfera o nella superficie di Venere è prevista come forme ossidate di fosforo, ad esempio fosfati. Considerando tali forme e adottando i dati di abbondanza di Vega (il valore più alto dedotto, più favorevole per la produzione di PH3 ), sono andati a calcolare se la termodinamica di equilibrio in condizioni rilevanti per l'atmosfera, la superficie e il sottosuolo venusiano può fornire ~ 10 ppb di PH 3 (considerando quindi un limite inferiore per trovare la soluzione termodinamica più facilmente ottenibile). Hanno trovato che la formazione di PH3 non è favorita anche considerando 75 reazioni rilevanti in migliaia di condizioni che comprendono qualsiasi probabile proprietà dell'atmosfera, della superficie o del sottosuolo (temperature di 270-1.500 K, pressioni atmosferiche e sotterranee di 0,25-10.000 bar, ampio intervallo di concentrazioni di reagenti). In particolare, i ricercatori hanno escluso l'idrolisi del fosfuro geologico o meteoritico come fonte del PH3 venusiano . Si esclude anche la formazione di acido fosforoso (H3PO3 ) perchè la sua formazione a temperature e pressioni di Venere richiederebbe condizioni piuttosto irrealistiche, come un'atmosfera composta quasi interamente da idrogeno.

Le reazioni fotochimiche nell'atmosfera di Venere non possono inoltre produrre PH3 a alla velocità necessaria alla Fosfina stessa per non venir degradata dai raggi UV in un'atmosfera come quella di Venere, e oltretutto per generare PH3 dalle specie di fosforo ossidato, i radicali generati fotochimicamente devono ridurre il fosforo estraendo ossigeno e aggiungendo idrogeno, che richiedono reazioni prevalentemente con H, ma anche con radicali O e OH. I radicali di idrogeno sono rari nell'atmosfera di Venere a causa delle basse concentrazioni di potenziali fonti di idrogeno (specie come acqua H2O e acido solforico H2S).

Si è infine escluso anche che possa essere stata prodotta PH3 attraverso eventi quali fulmini, impatti con oggetti in atmosfera o vento solare perchè la quantità di fosfina prodotta sarebbe troppo inferiore a quella rilevata.

Se nessun processo chimico noto può spiegare la presenza di PH3 all'interno dell'atmosfera superiore di Venere, allora deve essere prodotto da un processo non precedentemente considerato plausibile per le condizioni venusiane. 

Questa potrebbe essere fotochimica o geochimica sconosciuta. 

O forse vita. 

Naturalmente bisogna andarci molto cauti: ad esempio, la fotochimica delle goccioline delle nuvole venusiane è quasi completamente sconosciuta e si deve quindi considerare una possibile fonte fotochimica in fase gocciolina per PH3 (anche se PH3 verrebbe ossidato dall'acido solforico). 

Anche le domande sul perché organismi ipotetici su Venere potrebbero produrre PH3 sono altamente speculative.

La conferma della presenza di fosfina nelle nubi di Venere è quindi una scoperta socuramente eccitante, che apre a molteplici possibilità, ma ancora molti studi sulla geochimica e la fotochimica di questo pianeta andranno fatti prima di poter dire c'è vita su Venere.

La Tavola Periodica degli Elementi: 150 anni e non sentirli

Che vincere la materia è comprenderla, e comprendere la materia è necessario per comprendere l'universo e noi stessi: e che quindi il Sistema Periodico di Mendeleev, che proprio in quelle settimane imparavamo laboriosamente a dipanare, era una poesia, più alta e più solenne di tutte le poesie digerite in liceo: a pensarci bene, aveva perfino le rime!

[Primo Levi - Il Sistema Periodico] 

Il 2019 sarà, secondo l'UNESCO, l'anno internazionale della Tavola Periodica, strumento importantissimo, incubo degli studenti e, incredibilmente, fenomeno pop che ha avuto, negli anni, innumerevoli rivisitazioni, da quella in tema Star Wars a quella dedicata alla birra.
Eppure è un'invenzione piuttosto recente: solo 150 anni da quando il chimico russo Dimitri Ivanovich Mendeleev la presentò ufficialmente alla Russian Chemical Society, con solo 63 elementi e un sacco di spazi vuoti che aspettavano di essere riempiti.

Le Affinità Elettive

Nel XVIII secolo i primi tentativi di dare ordine agli elementi chimici si basavano più che altro sulla loro reattività e su una serie di coincidenze matematiche.

Le Tavole di affinità, molto diffuse all'epoca, ordinavano gli elementi che reagivano fra loro in liste verticali: elementi con maggiore affinità fra loro venivano posti sulla parte alta della tavola, mentre elementi con affinità minore, e che quindi reagivano meno fra loro, venivano posizionati in basso.

Nonostante non riuscissero a essere realmente efficaci, né tantomeno predittive, rimasero così popolari che prendendo spunto dal principio di affinità lo scrittore tedesco Goethe scrisse uno dei suoi romanzi più belli e famosi: Le Affinità Elettive.

All'inizio dell'800 molti chimici, invece, notarono che era possibile raggruppare in gruppi gli elementi in base a operazioni matematiche:  il chimico tedesco Wolfgang Döbereiner notò come prendendo tre elementi (Litio, Sodio, Potassio ad esempio) il peso atomico di quello centrale era la media aritmetica del peso atomico degli altri due.

Altri superarono questo concetto cercando di organizzare gli elementi in veri e propri sistemi periodici fino a Julius Lothar Meyer che possiamo considerare il precursore di Mendeleev: Meyer aveva notato che, se si tracciava un grafico dei volumi atomici degli elementi in funzione dei pesi atomici, si otteneva una serie di onde che formavano vertici appuntiti in corrispondenza dei metalli alcalini (sodio, potassio, rubidio e cesio). La distanza tra due vertici consecutivi corrispondeva a un periodo della tavola degli elementi e in ogni periodo, oltre al volume atomico, subiva un'oscillazione anche un certo numero di altre proprietà fisiche. 

Un sistema che guarda al futuro

La grande idea venne a Mendeleev mentre sistemava le sue carte per la stesura di un libro di testo, Principi di Chimica. Preparò quindi 63 tavole, una per ogni elemento allora conosciuto, in cui elencava tutte le sue caratteristiche e proprietà, ma quando li ordinò per numero atomico crescente si accorse che queste proprietà non erano casuali, ma seguivano un certo ordine, ripetendosi periodicamente.

La Tavola Periodica originale di Mendeleev

C'è un motivo per cui, fra tutti i tentativi di dare ordine fra gli elementi chimici, quello di Mendeleev è stato il più importante e "definitivo": non si limitò, infatti, a ordinarli in ordine di numero atomico crescente, ma lasciò degli spazi vuoti, spazi per nuovi elementi ancora da scoprire, di cui fu in grado di prevedere numero atomico e proprietà chimico-fisiche con sorprendente accuratezza.

Sta qui la genialità la bellezza della Tavola Periodica ideata da Mendeleev.

Pochi anni dopo la presentazione ufficiale, furono scoperti tre nuovi elementi, Scandio Gallio e Germanio, le cui proprietà erano incredibilmente simili a quelle ipotizzate da Mendeleev.

Dal 1869 a oggi

Dopo lo Scandio, il Gallio e il Germanio, fra il 1885 e il 1890 si aggiunse alla Tavola Periodica una colonna a destra: erano i Gas Nobili (Elio, Neon, Argon e Radon). 

Lo sviluppo della meccanica quantistica rese evidente che ogni riga (periodo) corrispondeva al riempimento di livelli energetici che condividevano il numero quantico principale.

Minerale di Uranio

Nel 1905, Alfred Werner propose un modello esteso di tavola periodica su 32 colonne, in cui i lantanidi, gli attinidi e gli elementi di transizione erano inseriti fra il 2º e il 3º gruppo di Mendeleev.  Paul Pfeiffer nel 1920, tornò a una tavola a 18 colonne, come si rappresenta tuttora, mettendo i lantanidi e gli attinidi su di un unico rigo sottostante.

Poi fu la volta del Plutonio, sintetizzato nel 1943 dal chimico statunitense Glenn Seaborg, che ricevette per questo (e per il suo lavoro sulla teoria degli orbitali f) il premio Nobel.

L'ultimo degli elementi presente in natura è il Californio, di numero atomico 98, rinvenuto in piccolissime tracce dovute al decadimento radioattivo dell'Uranio, tuttavia la Tavola Periodica continua e nel 2016 sono stati ufficialmente inseriti dalla IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) il Nihonio, il Moscovio, il Tennesso e l’Oganesson (numero atomico 113, 115, 117 e 118), anche se di questi elementi non si conoscono le proprietà che potrebbero essere molto diverse da quelle prevedibili, a causa di effetti relativistici. 

L'ultimo elemento di cui si conoscono le proprietà chimico-fisiche è l'Hassio, con numero atomico 108, sintetizzato per la prima volta nel 1984 da un gruppo di ricerca tedesco. 

Verso l'infinito e oltre

Nel 1911 si ipotizzò che elementi con numero atomico superiore a 100 non potessero esistere. Naturalmente ora sappiamo che questo non è vero, ma il dibattito sul limite della Tavola Periodica è ancora aperto: il fisico Richard Feynman sosteneva che elementi con numero atomico 173 non potessero esistere poiché il loro primo elettrone si sarebbe mosso a una velocità superiore a quella della luce, ma oggi non tutti sono d'accordo. In ogni caso non si prevede di arrivare a sintetizzare elementi con quel numero atomico tanto presto.

Una cosa sola è certa: in 150 anni di storia la Tavola Periodica degli Elementi si è elevata da semplice strumento utile agli scienziati nei loro calcoli ed è diventata un vero e proprio fenomeno pop, un'immagine subito riconoscibile e radicata nell'immaginario collettivo anche di chi alla scienza non si è mai avvicinato.

Un bel traguardo per una tabella fatta solo di lettere e numeri!

Per approfondire:

• http://www.periodictable.com/
• http://www.tavolaperiodica.unicam.it/sviluppo.html
• http://www.rsc.org/news-events/features/2019/jan/finding-the-periodic-table/?utm_content=8-Jan-2019&utm_source=facebook&utm_medium=social&utm_campaign=mkt-dir-news
• https://iupac.org/
• RSCPublishing – Extended elements: new periodic table – DOI: 10.1039/c0cp01575j

Le ragnatele: i materiali del futuro

Le ragnatele sono un vero e proprio capolavoro di ingegneria e di chimica: non solo può allungarsi fino al 40% prima che si spezzi (l'acciaio, ad esempio, arriva all'8%, il nylon al 20%), ma riesce a resistere persino ai venti di un uragano rimanendo intatta.

Non c'è da stupirsi, quindi, se si è guardato ai ragni e alle ragnatele come possibile fonte di nuovi materiali per moltissime applicazioni diverse.

Si è persino tentato di allevare ragni così come si fa per i bachi da seta, ma si è rivelata impresa impossibile, poiché non sono animali sociali e finiscono per divorarsi fra loro. L'approccio successivo, quindi, è stato quello di studiarne la composizione chimica e tentare di riprodurla sinteticamente; non si è rivelata certo una impresa facile, ma qualche successo negli anni si è raggiunto.

Di cosa sono fatte le ragnatele

Sembrerà forse strano, ma la seta prodotta dai ragni è principalmente composta da proteine.

In realtà ne esistono diversi tipi, non solo a seconda della specie di ragno che la produce, ma anche in base alla funzione che essa dovrà adempiere: quindi quella al centro della tela sarà maggiormente elastica e appiccicosa, quella ai lati ha una maggiore resistenza perché funge da ancoraggio per la struttura, un tipo di seta più dura è prodotta per racchiudervi le uova, e così via.

Chimicamente parlando, quindi, la seta di ragno è formata da fibre proteiche, ovvero lunghe catene di amminoacidi disposte nello spazio in modo peculiare, tale da formare appunto fibre. La composizione di queste fibre è stata studiata andando a identificare quali tipi di amminoacidi sono presenti e in quale quantità, scoprendo non solo che essa varia significativamente da specie a specie, ma anche, come dicevo, nella tela prodotta dallo stesso ragno in momenti diversi e per scopi diversi.

Essenzialmente si può dire che ogni fibra è costituita da un 70-75% di una proteina chiamata fibroina, che è il filamento che possiamo considerare un po' lo scheletro della seta; i due filamenti di fibroina sono tenuti insieme e avvolti da sericina che svolge la funzione di rivestimento, ma anche di lubrificante e inoltre promuove il processo biologico di avvolgimento.

Inizialmente il ragno produce una soluzione acquosa molto concentrata in cui sono presenti le due proteine, successivamente grazie a un meccanismo di regolazione del pH e degli ioni metallici presenti nella soluzione, si innesca un processo di gelificazione, in cui le proteine assumono una conformazione detta a foglietto beta, che dà forma alla fibra, e la soluzione diventa man mano più viscosa.

La regolazione del pH è inoltre estremamente importante per la conservazione della seta una volta espulsa, infatti essendo composta da proteine in soluzione acquosa, un basso pH impedisce che il materiale sia attaccato da muffe e funghi. In parole povere, l'ambiente acido fa sì che la ragnatela non marcisca.

La complessità e la grande varietà nella composizione della seta di ragno è ciò che la rende un materiale tanto straordinario, ma è anche il motivo per cui è così difficile riprodurla in laboratorio.

Ragnatele artificiali

Un gruppo di ricerca dell'Università di Cambridge è riuscito a produrre in laboratorio un qualcosa di molto simile alla seta di ragno con proprietà per certi versi anche superiori alla fibra naturale.

Le fibre sono importantissime a livello industriale, basti pensare al ruolo che il nylon ha avuto e continua ad avere nell'economia globale, ma la sintesi di questi polimeri è spesso accompagnata da un grande uso di solventi organici o alla presenza di alte temperature durante il processo. 

Uno dei motivi per cui si è guardato ai ragni per la sintesi di fibre resistenti è quindi anche la capacità di questi animali di produrre polimeri dalle proprietà estremamente utili utilizzando un mezzo acquoso e a temperatura ambiente, cosa che in un momento storico in cui si guarda sempre più a una produzione sostenibile ed eco-compatibile, è di estremo interesse.

http://www.pnas.org/content/114/31/8163/tab-figures-data

Partendo quindi da un materiale chiamato idrogel, composto prevalentemente di acqua (98%) e in minima parte da silice e cellulosa, i ricercatori hanno sintetizzato un bio-polimero che hanno denominato supramolecular polymer–colloidal hydrogel (SPCH). 

Il trucco è stato quello di inserire nanoparticelle di silice all'interno del sistema colloidale, in modo che queste fungessero da assemblatrici per l'intera struttura. Questo ha permesso al SPCH di avere proprietà meccaniche incredibili, come ad esempio una capacità di smorzamento (cioè la capacità di un materiale di essere sottoposto a stress meccanico) che aumenta di più del 60% dopo alcuni cicli di allungamento e restringimento.

Bibliografia:

• Fu, C., Shao, Z. & Vollrath, F. - Animal silks: their structures, properties and artificial production. Chemical Communications, (43): 6515-6529 

Un atomo pieno di atomi

Cosa c'è dentro un atomo? Di solito niente, ma questa risposta non deve essere piaciuta ai ricercatori delle Università di Vienna e di Harvard che hanno pensato bene di creare un atomo così grande da poter essere riempito con altri atomi.

L'Atomo di Rydberg

Immaginiamo l'atomo come una sorta di piccolo (piccolissimo) sistema solare in cui al centro al posto del sole vi è un nucleo formato da neutroni (particelle neutre) e protoni (particelle di carica positiva) e al posto dei pianeti che vi orbitano intorno ci sono gli elettroni (particelle negative). 

Naturalmente la realtà è molto più complicaa di così e richiede complessi calcoli matematici, ma per molte cose questa semplificazione è ancora oggi efficace.

Ad ogni orbita corrisponde un numero da 1 a infinito, chiamato numero quantico la cui importanza è fondamentale poichè ci fornisce informazioni specifiche sull'energia e la forma di un determinato atomo e un determinato elettrone.

Quando si fornisce una certa quantità di energia a un atomo, l'elettrone salta da un livello (cioè un'orbita) a un'altro superiore, con un numero quantico più alto, e questo atomo si dice perciò eccitato.

Normalmente i salti che un elettrone può compiere non sono particolarmente lunghi, ma utilizzando particolari tecniche e solo in alcune condizioni, gli scienziati sono riusciti a creare un atomo eccitato con un numero quantico principale molto alto, tanto che l'elettrone si trova ad orbitare anche a molte centinaia nanometri di distanza dal nucleo, cioè più di mille volte superiore al raggio di un atomo di Idrogeno.

A questo "super atomo" è stato dato il nome di Atomo di Rydberg, in onore del fisico che per primo ha descritto le lunghezze d'onda degli spettri luminosi dell'Idrogeno.

Il condensato di Bose-Einstein: un'altro stato della materia

Nella meccanica quantistica le particelle piccolissime come gli atomi sono definite anche come onde e queste onde (chiamate armoniche sferiche) possono avere una forma diversa a seconda dell'energia dell'atomo, che è continuamente in vibrazione. A temperature più alte la vibrazione e quindi l'energia dell'atomo sarà maggiore che a basse temperature.

Si prenda ora per esempio l'isotopo 23 del Sodio (cioè un atomo di Sodio con 23 neutroni) che è un isotopo bosonico, e per questo motivo gli atomi di Sodio possono avere tutti la stessa energia e la stessa funzione d'onda che li descrive, cosa che in altre condizioni sarebbe impossibile.

Il Sodio viene riscaldato fino a diventare un gas e fatto passare attraverso un foro minuscolo, fino a raggiungere la temperatura di 9000 Kelvin (più di 8700°C). Gli atomi di sodio così caldi si muovono a una velocità altissima, circa 1000 metri al secondo, e si trovano a un'energia elevatissima tanto che vanno raffreddati. Per fare questo si usano dei laser che, grazie a una serie di processi, riescono a raffreddare gli atomi di Sodio fino a una temperatura di 0.0000024 Kelvin.

A questo punto, questi atomi vengono intrappolati all'interno di un campo magnetico, in cui si avranno gli atomi più caldi in alto e quelli più freddi in basso. Passo dopo passo questa trappola magnetica raffredda ulteriormente gli atomi fino alla temperatura più bassa che è possibile raggiungere in un laboratorio, ovvero  0.000000001 Kelvin (la temperatura di 0 Kelvin, detta zero assoluto, è impossibile da raggiungere).

A temperature così basse quasi il 100% degli atomi di Sodio esistono allo stato fondamentale, cioè al livello più basso di energia possibile per un atomo e questo è possibile per il sodio proprio perchè è un atomo bosonico, come si diceva all'inizio.

Il condensato di Bose-Einstein è proprio questo stato in cui tutti gli atomi sono al livello più basso di energia ed è considerato uno stato della materia vero e proprio, esattamente come lo stato solido, liquido e gassoso.

Polarone di Rydberg: un atomo che mangia tutti gli altri

Ora, sia gli atomi di Rydberg che i condensati di Bose-Einstein sono concetti ben radicati nella fisica moderna, perciò gli scienziati hanno deciso di unirli.

In questo esperimento hanno creato un condensato di BE usando atomi di Stronzio, quindi, con un laser, ne hanno eccitato uno per creare un Atomo di Rydberg.

Il risultato è stato quello di avere un elettrone che orbita intorno a se stesso e a migliaia di altri atomi di Stronzio, inglobati in questa sorta di super atomo gigantesco che hanno chiamato Polarone di Rydberg. La cosa interessante è che poichè gli atomi non hanno carica elettrica, esercitano solo una forza minima sull'elettrone e quindi non ne distruggono l'orbita, perciò l'energia globale di tutto il sistema è minore di quella che si avrebbe se gli atomi di Stronzio non fossero intrappolati, ed il legame fra l'Atomo di Rydberg gigante e gli atomi all'interno è permesso.

Questa situazione è possibile però solo a temperature vicine allo zero assoluto, perchè a temperature più alte l'energia degli atomi è maggiore e il legame si rompe, distruggendo il polarone.

Anche questa particolare struttura è un nuovo stato della materia, chiamato stato esotico.

Potrebbe sembrare solo un giochino dei fisici, ma in realtà è una ricerca estremamente importante che permetterà di studiare la fisica degli atomi ultrafreddi, scoprire nuove proprietà della materia e, chissà , a portare anche a nuove applicazioni pratiche che potrebbero rivoluzionare la nostra vita di tutti i giorni. Basta solo aspettare e vedere.

Bibliografia:

• https://www.nature.com/articles/nature12592
• https://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/125643/
• https://steemit.com/steemstem/@physics.benjamin/the-coldest-place-in-the-universe-is-in-our-physics-laboratories-the-bose-einstein-condensate