Vedere le molecole: filosofia, stregoneria, sogni e computer

A scuola, più o meno tutti quanti abbiamo osservato al microscopio le cellule di cipolla, o magari di sangue. Qualcuno avrà visto anche qualche batterio.

Ma le molecole? Qualcuno le ha mai viste? Gli atomi si possono osservare al microscopio?

Al contrario di quanto avviene per le cellule che, per quanto microscopiche, possono essere osservate piuttosto bene anche utilizzando un microscopio non troppo sofisticato, gli atomi e le molecole sono davvero troppo piccoli per essere visti, persino con il più fantasmagorico dei microscopi.
Questo è stato un gran bel problema per moltissimi secoli, infatti, mentre la fisica era una scienza studiata già dagli antichi greci (basti pensare al Principio di Archimede) e la Biologia fiorì con i primi passi della microscopia all'inizio del 1800, la Chimica e i chimici sono dovuti andare sempre un po' a tentoni, passando dalla teoria filosofica all'antro dell'alchimista.

Prima vennero i Greci

Il primo in assoluto a parlare di atomi fu il filosofo greco Democrito.

Secondo lui l'intera realtà era costituita da particelle minuscole, indivisibili, che differiscono fra loro solo in quanto a grandezza, forma, ordine e posizione, in moto perpetuo fra di loro; proprio questo moto, che porta le particelle a unirsi e a separarsi, è all'origine della nascita, della morte e di tutte le trasformazioni correlate alla vita.

Democrito

Democrito chiama queste particelle Atomi, che vuol dire proprio "particelle indivisibili". Le teorie di Democrito si discostano da quelli che erano i pensieri ricorrenti nella Grecia del tempo, basati maggiormente su concetti più metafisici, e perla prima volta parla di qualcosa di concreto, di misurabile (e su questo tornerà, secoli dopo, un certo Galileo Galilei) e si spinge a dire che persino l'anima non è composta d'altro che da atomi leggerissimi, sottilissimi e lisci.

Il povero Democrito non ebbe molto successo, però, e la sua teoria degli Atomi rimase praticamente inutilizzata fino a tempi molto più moderni.

Chi invece riscosse grande consenso fu Aristotele, che affermava come ogni cosa fosse formata da quattro elementi principali: acqua, fuoco, terra ed aria.

Questa teoria ha avuto talmente successo che tempo dopo un altro filosofo, Empedocle, vi contribuì moltissimo.

Secondo Empedocle la nascita, la morte, la vita in genere, avviene perché c'è una mescolanza e una separazione costante di sostanze che lui individua essere proprio le quattro di cui aveva parlato Aristotele.

Insomma, nessuno ci credeva a questi fantomatici atomi di cui aveva parlato Democrito, d'altro canto nessuno li aveva mai visti!

Gli alchimisti, la chimica e la Pietra Filosofale

Di Alchimia si potrebbe parlare per giorni interi e si potrebbero scrivere tomi lungi migliaia di pagine. L'origine di questa pratica a metà fra la scienza e la magia è antichissima, ma non è certo se provenga dall'antico Egitto o addirittura dal mondo Islamico. Anche in Cina, seppur con metodi e fini molto diversi che si intersecano con la medicina tradizionale, si ritrovano tracce di Alchimia.

"Alchimista" di David Teniers il giovane  

In Europa si diffonde nel Medioevo grazie al contatto con il mondo Islamico e gli Arabi in particolare , riprende il concetto dei quattro elementi (aria, terra, acqua e fuoco) e lo amplia, mischiando occultismo con i primi esperimenti di natura più strettamente chimica. 

Il principale fine degli Alchimisti era la trasmutazione dei Metalli in Oro, in particolare del Piombo, oltre che, naturalmente, la ricerca della mitica Pietra Filosofale, un artefatto che avrebbe dato l'immortalità al suo possessore.

Non è facile distinguere fra processi in qualche modo scientifici e credenze mistiche, perché per gli alchimisti non c'era una vera e propria differenza fra le due cose, perciò troviamo, nella lista dei simboli alchemici, accanto a draghi ed unicorni, anche il mercurio.

Il sogno di Kekulè

Nonostante la chimica vera e propria nasca nel 1700 e la fisica sia una scienza molto molto più antica, di atomi e molecole ancora si parlava con qualche dubbio, soprattutto fra i fisici. 

Ci furono i primi modelli atomici all'inizio del 1900, per tentare di dare una qualche spiegazione della struttura dell'atomo, come quello "a panettone" di Thomson, quello "a planetario" di Rutherford e soprattutto l'atomo di Bohr, quello che (non sempre e con moltissime modifiche) si usa ancora oggi nelle spiegazioni di base.

Modelli atomici (da sinistra) di Thomson, di Rutherford e di Bohr

C'era stato anche qualcuno che aveva provato, soprattutto nella chimica organica, a fare delle ipotesi sulla forma e la struttura delle molecole. 

Uno di questi e probabilmente il più importante di tutti fu il chimico tedesco Friedrich August Kekulé che propose la struttura esagonale del Benzene nel 1865.

La struttura del Benzene e il serpente di Kekulé

Inizialmente Kekulé non volle dire a nessuno e fu solo 25 anni dopo, sotto l'insistenza di amici e colleghi, raccontò come l'incredibile intuizione gli fosse venuta in sogno, quando, addormentatosi davanti al fuoco, sognò un serpente che si mordeva la coda.

Una storia senza dubbio affascinante e un modo alquanto insolito per sopperire al problema delle molecole non visibili a occhio nudo, ma nel 1984 alcuni studiosi dell'università di Chicago scoprirono che Kekulé, pur essendo un brillante chimico, non era proprio quel che si dice un uomo onesto.

Infatti non fu per pudore che tacque per 25 anni, ma perché la sua incredibile intuizione arrivò dopo che quella stessa struttura esagonale era stata già proposta ben 12 anni prima di Kekulé da un chimico francese di nome Auguste Laurent.

Ciechi dalle mani sensibili

Il problema con le molecole è che la lunghezza d'onda del fotone, la particella che compone la luce e che è anche un'onda, è troppo grande rispetto alle distanze che esistono fra gli atomi, per questo è impossibile vedere una molecola a occhio nudo (o con un normale microscopio ottico). 

Appurato che Democrito aveva ragione e che gli elementi sono molto più di quattro, si è quindi fatto ricorso all'immaginazione, se vogliamo chiamarla così, per cercare di capire come fosse fatto un atomo e quale fosse la struttura di tutte le molecole che ci circondano. 

Se per quanto riguarda il singolo atomo, per il momento, non possiamo che affidarci ancora alla teoria, per le molecole fortunatamente abbiamo sviluppato qualche arma in più.

Nel 1895 il fisico Wilhelm Conrad (premio Nobel nel 1901) scoprì i Raggi X. Grazie all'avanzamento di questa tecnica è possibile fare una sorta di "fotografia" di un cristallo, analizzando in quale modo ogni atomo del reticolo cristallino devia la radiazione elettromagnetica. Uno schermo fotografico o, più modernamente, un rilevatore, capta questa radiazione deviata e, tramite degli algoritmi matematici, elabora una struttura del cristallo, posizionando ogni atomo al proprio posto.

Esempio di struttura ottenuta ai Raggi X

Il grande limite di questa tecnica, però, è che la sostanza che si vuole conoscere deve essere cristallina e purtroppo moltissime molecole organiche non lo sono.

Uno strumento utilissimo e usato massicciamente dai chimici organici di tutto il mondo è la Risonanza Magnetica Nucleare (NMR), che utilizza i nuclei degli atomi (principalmente quelli di Idrogeno e di Carbonio) come dei piccoli magneti che vengono influenzati da un magnete più grande in modo diverso a seconda degli atomi che sono lì intorno. I primi a sfruttare queste proprietà dei nuclei per studiare la struttura molecolare furono Felix Bloch dell'Università di Stanford ed Edward Purcell dell'Università di Harvard, due fisici, nel 1946.

In realtà non è proprio corretto dire che questa tecnica permette di vedere le molecole, perché quello che si ottiene non assomiglia per niente all'immagine che abbiamo di una molecola, ma imparando a interpretare i dati è possibile ricostruire la struttura anche di sostanze sconosciute. 

D'altronde anche con i Raggi X si ottiene una serie di numeri che poi è un computer (o, qualche anno fa, l'abilità dell'uomo) a trasformare in una struttura.

Esempio di Spettro NMR

Un mio professore, a questo proposito, diceva (citando Primo Levi) che i chimici sono come dei ciechi, incapaci di vedere, ma con mani sensibili che permettono di individuare, anche nel buio, la forma delle cose.

Per Appofondire:

• https://www.lsgalilei.org/lavori/Hypertesto/atomismo_dem.htm
• http://www.treccani.it/enciclopedia/alchimia/
• "Diffrazione dei raggi X dai materiali policristallini" di Daniele Mazza
• "Metodi spettroscopici in chimica Organica" di M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh

I segreti del piccante

Fra le tante spezie e piante amate dalle cucine di tutto il mondo, sicuramente un posto importante spetta al Peperoncino, una pianta facente parte della famiglia delle Solanacee (a cui appartiene anche il peperone) e portata nel nostro continente dalle Americhe da Cristoforo Colombo di ritorno dal suo secondo viaggio nel Nuovo Mondo.

Certo, non tutti riescono a sopportare una quantità di peperoncino troppo elevata, spesso la sensazione di piccante è dolorosa, eppure è davvero difficile trovare qualcuno che, in quantità diverse, non ne apprezzi l'aroma e non ne metta un pizzico per ravvivare un piatto, tanto che si stima che ben un quarto della popolazione mondiale lo consumi quasi giornalmente.

Ma che cos'è il piccante? Da cosa dipende? E come si fa a valutare se un peperoncino è più piccante di un altro?

La capsaicina: una molecola infuocata

La responsabile del piccante del peperoncino è una molecola della famiglia dei vanilloidi, la Capsaicina. 

Fu scoperta e isolata per la prima volta nel 1816 da Bucholtz, ma fu nel 1846 che l'ungherese Endre Hyoges la isolò e le diede questo nome. Si è però dovuto aspettare fino al 1919 prima che la sua esatta struttura fosse determinata e poi sintetizzata in laboratorio dieci anni dopo.

Questa molecola, contrariamente a quanto si pensa, è quasi assente nei semi, mentre è particolarmente abbondante nella buccia del peperoncino e nella polpa e ha un'azione molto particolare su alcuni recettori presenti sulla lingua (ma non solo, si trovano anche in altre zone del corpo come gli occhi e altre più "delicate").

struttura della capsaicina

Quello che fa la capsicina è legarsi a dei recettori, chiamati VR (vanilloid receptors), delle proteine che si trovano sulla membrana cellulare e che fungono da porte per lasciar entrare e uscire principalmente ioni calcio. Questi recettori sono estremamente sensibili al calore e si attivano a temperature maggiori di 43°C, ma in presenza della capsaicina lo stimolo avviene anche a temperatura ambiente. Ecco il motivo per cui mangiare un peperoncino ci fa andare a fuoco la bocca, perché il nostro cervello viene ingannato e percepisce un calore doloroso che in realtà non esiste.

Nonostante il primo impulso sia quello di mandare giù un enorme bicchiere d'acqua, non è questo il metodo più efficace per combattere il bruciore da piccante, perché la capsaicina non è solubile in acqua. La soluzione migliore sarebbe quello di ingerire dei grassi, come olio o latte, oppure mangiare dello zucchero. Un altro metodo che può aiutare è quello di mangiare del pane che rimuove meccanicamente la capsaicina dalla bocca.

Peperoncino Habanero
350.000 sulla Scala Scoville

Nel 1912 il chimico statunitense Wilbur Scoville introdusse un test organolettico per quantificare la piccantezza di un peperoncino, chiamato proprio Scala Scoville. 

Questa scala dà arbitrariamente alla capsaicina pura un valore pari a 16.000.000 e assegna poi gli altri valori misurando quante volte bisogna diluire una soluzione di acqua e capsaicina prima che il piccante non venga più avvertito (si utilizzavano in genere 5 assaggiatori). Ad esempio per un valore di 15.000 vuol dire che l'estratto di quel peperoncino deve essere diluito per 15.000 volte prima che il piccante sia del tutto assente.

Al giorno d'oggi il test di Scoville è stato abbandonato dall'industria alimentare in favore di tecniche più moderne e più precise rispetto all'assaggio da parte di un certo numero di persone, comunque non solo la Scala Scoville è tutt'ora usata nella classificazione dei vari peperoncini, ma in laboratorio si usa ancora assaggiare personalmente la soluzione di acqua e capsaicina per assegnarle il valore di Scoville.

I mille usi della capsaicina: presente e futuro

L'uso sicuramente più comune e conosciuto della capsaicina è quello per applicazione topica contro i dolori da artrite e reumatici. Come abbiamo detto, l'effetto piccante è dovuto alla stimolazione di particolari recettori, i VR, questi recettori però dopo una stimolazione prolungata molto intensa, si disattivano, con una desensibilizzazione della terminazione nervosa a causa dello stop nella produzione di una proteina chiamata PIP2.

pomata alla capsaicina per uso topico

Ci sono inoltre tantissimi studi per valutare le possibili applicazioni della capsaicina in ambito farmacologico: 

• Come antiinfiammatorio perché va a inibire la produzione di alcune proteine coinvolte nell'infiammazione

• Nel controllo dell'insulina

• Nel controllo del peso

• Come antiossidante

Un'interessante prospettiva venuta fuori negli ultimi anni è anche quella che vede la capsaicina come un fattore antitumorale: non solo ha un'azione antiossidante, ma alcuni studi hanno evidenziato come un accumulo di capsaicina nelle cellule malate moduli il metabolismo dei lipidi e inibisca il funzionamento dei mitocondri, le centrali energetiche delle cellule, di fatto provocandone la morte. 

Rimane ancora moltissima ricerca da fare e i risultati ottenuti, sebbene promettenti, non permettono di fare alcuna conclusione, ma certo la capsaicina non cessa mai di riservare sorprese.

Fonti:

• Story GM, Crus-Orengo L, Feel the burn, American Scientist, vol. 95, nº 4, luglio–agosto 2007, pp. 326–333
• Vanilloid (Capsaicin) Receptors and Mechanisms, Arpad Szallasi and Peter M. Blumberg, Pharmacological Reviews June 1999, 51 (2) 159-212
• Panchal, S.K.; Bliss, E.; Brown, L. Capsaicin in Metabolic Syndrome. Nutrients 2018, 10, 630
• A Comprehensive Review of the Carcinogenic and Anticarcinogenic Potential of Capsaicin, Keith Bley, Gary Boorman, Bashir Mohammad, Donald McKenzie, and Sunita Babbar,Toxicologic Pathology, Vol 40, Issue 6, pp. 847 - 873, First Published May 4, 2012 

Come lavare i denti a un elefante: i mille usi dell'acqua ossigenata

No, non è la nuova frontiera della protezione animali, ma il "dentifricio dell'elefante" è semplicemente il nome che viene dato alla spettacolare reazione chimica che si ottiene facendo decomporre il perossido di idrogeno in presenza di ioduro di potassio come catalizzatore.

Questa è una reazione che viene spesso usata a scuola con i bambini a causa della sua evidente spettacolarità, ma è anche molto interessante per i chimici perchè è un esempio pratico di come si possa rendere velocissimo un processo che normalmente è lentissimo. 

Ma partiamo dall'inizio e dal principale protagonista di questa reazione: il perossido di idrogeno.

Perossido di idrogeno a.k.a. Acqua Ossigenata

Comunemente chiamata Acqua Ossigenata, ha formula chimica H2O2 (non dissimile dall'acqua normale che invece è H2O) ed è un liquido trasparente e vischioso, che a volte se molto concentrato apparre azzurrino. Può essere apparentemente confuso con l'acqua, ma le sue proprietà sono estremamente diverse. 

Struttura del perossidodi idrogeno

Una delle caratteristiche principali è la sua capacità di comportarsi sia da ossidante (cioè che acquista elettroni) che da riducente (cioè che perde elettroni), inoltre si decompone liberando ossigeno ed è anche lievemente acido. 

Queste molte proprietà hanno fatto sì che gli usi dell'acqua ossigenata sia nell'industria che nel quotidiano siano molteplici: poichè è un ottimo sbiancante viene adoperato nell'industria tessile e per sbiancare la carta, viene utilizzato per la produzione di gomme e altri polimeri, inoltre possiede proprietà disinfettanti perciò viene usato anche per questo scopo per piccole ferite. 

L'acqua ossigenata che si trova in vendita non è molto concentrata, in genere non si supera mai il 20% in volume, ed infatti non è pericolosa se si viene a contatto con essa, anche se bisogna comunque stare attenti a non ingerirla o a non schizzarla sugli occhi. 

Soluzioni più concentrate, anche al 50% sono vendute in negozi specializzati come sbiancanti, e in quel caso si consiglia sempre di usare dei guanti.

Velivolo sperimentale X15

Uno degli utilizzi più impensabili è quello come propulsore per razzi. Come si è detto, la decomposizione del perossido di idrogeno produce ossigeno gassoso. Esattamente come per la reazione del dentifricio per elefanti, mettendo nel motore del razzo un catalizzatore che fa in modo che questa decomposizione avvenga molto velocemente, si sviluppa una quantità enormemente elevata di energia, tanto da funzionare come propulsore.

Reazione di dissociazione del perossido di idrogeno in acqua e ossigeno

Siete investigatori in erba? Non temete, novelli Sherlock Holmes, fra gli usi più singolari dell'acqua ossigenata c'è quello investigativo.
Il perossido di idrogeno, infatti, è usato dalla polizia scientifica per trovare le tracce di sangue, anche invisibili, sulla scena del crimine, grazie a una soluzione di acqua ossigenata e una sostanza chiamata luminol.

Struttura del luminol

Queste due sostanze chimiche reagiscono fra loro dando come risultato una luminescenza che è possibile individuare tramite speciali lampade a raggi UV. Questa reazione, però, per poter avvenire ha bisogno di un catalizzatore e il Ferro presente nell'emoglobina del sangue ha proprio questa funzione.

Luminol

Acqua ossigenata e la chimica verde

Ottenere l'acqua ossigenata non è facile e il principale processo di sintesi passa da una molecola chiamata antrachinone. Il problema principale di questo processo è che avvenire ha bisogno di un catalizzatore metallico al Palladio e perciò la reazione non è sostenibile nè economicamente nè ecologicamente.

Un altro metodo deriva dalla reazione diretta fra Ossigeno e Idrogeno, ma il pericolo principale deriva dall'esplosività di queste due molecole messe a contatto.

La ricerca di una via alternativa per la produzione di acqua ossigenata (come abbiamovisto una importantissima sostanza chimica con moltissimi usi anche industriali) è sempre stata una priorità per molti.

Ci siamo riusciti in Italia, al CNR in collaborazione con l'Università di Trieste. Un team coordinato dal Prof. Fornasiero, che ha detto: “Negli ultimi anni, team di ricercatori di diversi Paesi si sono concentrati per trovare un processo ecologico per la sintesi di H2O2. Recentemente, l’interesse si è focalizzato su un metodo che sfrutta idrogeno e ossigeno, cioè i due costituenti atomici della molecola".

I ricercatori hanno quindi sviluppato un catalizzatore basato su un nuovo nanomateriale simile al grafene, cioè formato da soli atomi di carbonio, che a differenza di altri materiali del genere usati precedentemente, è altamente selettivo ed efficiente e richiede una quantità di energia moderata.

Il processo si basa su una reazione elettrolitica, cioè una reazione chimica che avviene grazie all'impiego di energia elettrica, e fino a questo momento l'elettricità impiegata per far reagire Idrogeno e Ossigeno era moltissima. Il nanomateriale scoperto dai ricercatori funge quindi da elettrodo per catalizzare la reazione e incrementare la produzione di H2O2.

Fornasiero ha quindi concluso:  “Visto il costo e l’impatto ecologico per la sintesi del perossido di idrogeno, il nostro metodo potrebbe favorire una produzione più sostenibile e più economica, poiché eviterebbe l’attuale uso del palladio, metallo piuttosto costoso. In questo modo il composto potrebbe essere usato efficacemente anche per la rimozione di agenti inquinanti delle acque, perché non rilascia residui chimici nocivi, ed essere più diffuso quale disinfettante in ambito sanitario nelle aree economicamente più svantaggiate, quali l’Africa”.

Sicuramente un ottimo esempio di come la chimica può e deve guardare a nuovi modi per essere più efficiente e più green.

Fonti:

• https://curiosity.com/topics/the-mercury-13-should-have-been-the-first-women-in-space-curiosity/
•  www.chimica-online.it
• https://etd.adm.unipi.it/theses/available/etd-01312007-160037/unrestricted/capitolo1.PDF
• http://crimemagazine.citv.it/parola-investigatore/luminol-come-funziona-quando-si-usa/
• https://www.cnr.it/it/comunicato-stampa/8023/un-metodo-piu-economico-e-pulito-per-produrre-acqua-ossigenata
• IGLESIAS, Daniel, et al. N-Doped Graphitized Carbon Nanohorns as a Forefront Electrocatalyst in Highly Selective O2 Reduction to H2O2. Chem, 2018, 4.1: 106-123.

Scienziati si diventa: le fonti

Benvenuti, cari lettori, alla seconda puntata di Scienziati si diventa, la rubrica in cui entreremo nei meccanismi che sono alla base del lavoro di ogni scienziato in qualsiasi ambito, dalla medicina alla fisica delle particelle e non solo.

Dopo aver parlaro del Metodo scientifico, punto di partenza della scienza moderna e Bibbia di chiunque si approcci a questo mondo, sia esso un ricercatore o un giornalista, veniamo a un argomento citato spesso e volentieri, soprattutto nell'ultimo periodo in cui i social network (ma anche la televisione) hanno dato voce a chiunque voglia esprimere un'opinione su un qualsiasi argomento di carattere scientifico: le Fonti.

Avrete sicuramente notato che anche in questo blog, alla fine di ogni articolo, vi è una sezione bibliografica, un "per approfondire", in cui sono riportate, appunto, le fonti da cui proviene ogni parola che viene scritta. 

Quando si parla di argomenti scientifici è importantissimo ricordare che quel che viene espresso non è un parere personale, o un'opinione come può esserlo l'apprezzamento per un determinato film, ma è un semplice riportare ciò che in quel determinato momento è ritenuto affidabile nella comunità scientifica. Il dibattito è perfettamente accettato, anzi, l'intera comunità scientifica è animata da un costante dibattito, in cui chiunque, anche il più giovane dei dottorandi, può controbattere e smentire la teoria di un premio Nobel, perchè non conta il nome che si porta, ma solo e unicamente i dati che si possono fornire.

Diventa, quindi, fondamentale nel barcamenarsi fra riviste divulgative più o meno famose, opinionisti dell'ultima ora e urlatori del web, scoprire qualcosa in più sulle fonti che, va ricordato ancora una volta, devono sempre essere riportate a sostegno di una qualsiasi affermazione.

Come si scrive un articolo scientifico

In genere, dopo aver portato avanti un esperimento, o meglio una ricerca scientifica (che è il risultato di molti esperimenti), si procede con lo scrivere un articolo da pubblicare su una qualche rivista del settore, di modo da rendere pubblica la propria scoperta o comunque il risultato conseguito che, ad esempio, può essere anche un risultato negativo!

Un articolo scientifico è più o meno costituito da una struttura fissa, standard, che permette quindi una consultazione più agevole:

• Titolo: il titolo di un articolo è importantissimo perchè è il primo approccio all'articolo stesso e deve quindi far capire in modo chiaro al lettore di cosa si tratterà; di fatto, più che un titolo vero e proprio, è una sorta di intestazione in cui si specifica brevemente ma esaurientemente l'argomento trattato.

• Autori: i nomi degli autori vengono riportati subito dopo il titolo e il loro ordine può essere alfabetico o, più frequentemente, per contributo, cioè viene riportato per primo il nome del ricercatore il cui contributo all'articolo è stato maggiore ed è quello che riveste più importanza, perchè nelle citazioni si usa riportare solo il primo nome seguito dalla sigla et al. 

• Abstract: è un riassunto in cui vengono riportate, senza commento o osservazioni di sorta, tutti gli aspetti fondamentali del lavoro e deve rispettare un numero massimo di parole; l'abstract è fondamentale perchè di solito è l'unica parte dell'articolo liberamente fruibile e quella che ci si sofferma a leggere per capire se quel determinato articolo può essere utile o meno ai propri scopi. Subito sotto l'abstract si trova un elenco di parole chiave utili alla ricerca web o cartacea e la classificazione tematica in base alla disciplina a cui il lavoro appartiene.

• Introduzione: un breve paragrafo in cui vengono illustrati gli scopi della ricerca, le conoscenze attuali in quel dato ambito e gli articoli precedenti da cui si è partiti per sviluppare il lavoro.

• Materiali e Metodi: dove vengono elencati tutti i materiali utilizzati per portare avanti quella ricerca, gli strumenti, le procedure relative; ad esempio per una ricerca in ambito chimico verranno riportate le sostanze chimiche utilizzate, i solventi, le strumentazioni e i processi con i quali si sono ottenuti i reagenti e le formule matematiche usate per analizzare i dati. L'importanza di questa parte dell'articolo risiede nel metodo scientifico stesso (scientificità): riportare fedelmente materiali e metodi utilizzati permette a chiunque voglia farlo di poter riprodurre l'esperimento con le stesse condizioni di quelle dell'articolo (riproducibilità), ed eventualmente di confutare i risultati ottenuti dagli autori (confutazione scientifica).

• Risultati e discussione: vengono qui riportati i risultati ottenuti, i dati raccolti, tutti i grafici e le misurazioni effettuate durante l'esperimento, e questi vengono discussi e interpretati sulla base delle ipotesi che si erano fatte prima di cominciare l'esperimento e su quanto ci si poteva aspettare e quello che, poi, si è ottenuto.

• Conclusioni: viene qui effettuata una considerazione finale sul lavoro svolto, basandosi sui dati raccolti e sull'interpretazione che se ne è fatta nella discussione si giunge quindi a un epilogo esaustivo, basandosi anche sulle conoscenze pregresse, le evidenze sperimentali e le conoscenze generali in quella data disciplina.

• Riferimenti: è la bibliografia, in cui vengono riportati tutti gli articoli e i testi che sono stati presi in considerazione durante la ricerca e durante la stesura del lavoro, vengono riportati anche i manuali dei programmi e degli strumenti utilizzati, passaggi matematici particolarmente complicati per essere riportati durante la discussione, conversioni di unità di misura o anche enti e persone che hanno contribuito non scientificamente alla stesura dell'articolo.

Peer Review: revisione alla cieca

Prima di essere pubblicato, un articolo viene sottoposto a una revisione detta cieca, che gioca un ruolo di primaria importanza all'interno della comunità scientifica ed è ancora oggi, nonostante non sia sempre perfetto, il metodo più valido per poter controllare la validità di una ricerca.

Questo metodo è attivo da più di trecento anni (si stima che fu The Philosophical Transactions of the Royal Society il primo testo a esservi sottoposto) ed è ancora la colonna portante di ogni processo di pubblicazione scientifica.

Consiste sostanzialmente, come dice il nome stesso, in una revisione dell'articolo effettuata da esperti del settore specifico di cui quell'articolo tratta. Essi non conoscono gli autori nè gli altri revisiori e allo stesso modo gli autori non sanno chi sono i revisori.

Processo di revisione

In realtà non sempre vi è questa anonimità reciproca e possiamo quindi distinguere tre diversi tipi di peer review:

• Single blind review: i revisori sono anonimi, ma sono conosciuti gli autori 

• Double blind review: sia i revisori che gli autori sono anonimi

• Open review: sia i revisori che gli autori sono conosciuti

Durante il processo di revisione sono esaminati tutti i dati, i grafici, i metodi utilizzati, in modo da ridurre al minimo gli errori e prevenire l'uscita di articoli non corretti o, peggio, falsi.

Indici Bibliometrici

Ora sappiamo riconoscere un articolo scientifico e notare la differenza con un articolo qualsiasi di un giornale di divulgazione, sappiamo come viene scritto e in che modo si procede alla pubblicazione su una rivista scientifica. Ma come fare a capire se la fonte riportata  nel nostro periodico preferito è affidabile? Se possiamo fidarci di quanto viene detto oppure se dobbiamo diffidare?
In genere una prima avvisaglia sta nella quantità delle fonti riportate: un giornalista serio deve sempre riportare più fonti prima di affermare con sicurezza qualcosa, perchè non basta che quel tale dato sia scritto in un solo articolo scientifico, proprio perchè la peer rewiew non è perfetta e qualcosa può sempre sfuggire.

Un altro importantissimo aspetto da considerare, è la Bibliometria. Questa è un ambito di studio applicato alle varie discipline scientifiche che utilizza modelli matematici e statistici per analizzare la distribuzione delle pubblicazioni e il loro impatto all'interno della comunità scientifica. Il primo metodo, che è un metodo qualitativo, è proprio il peer review, ma accanto a questo vi è anche un secondo metodo, questa volta quantitativo, che permette di stimare a livello numerico l'impatto e l'importanza che una data rivista e un dato articolo hanno nella comunità scientifica.
Il cardine su cui si basa la bibliometria è l'Analisi Citazionale, cioè l'analisi delle citazioni nella produzione scientifica per stabilire connessioni fra vari lavori e vari ricercatori: è quindi l'esame delle frequenza con cui un certo lavoro viene citato all'interno di articoli e in generale all'interno di testi scientifici.

Possiamo distinguere due principali modelli di analisi citazionale:

• Impact Factor (IF): è, una misura del numero di citazioni dei lavori pubblicati in una certa rivista rispetto al numero totale di lavori pubblicati dalla stessa rivista negli anni precedenti, sia a livello nazionale che internazionale. Pur essendo ancora oggi il modello più utilizzato, non è esente da alcune critiche, infatti non sempre un numero elevato di pubblicazioni è sinonimo di elevata qualità, ma in generale è un modello che riesce a essere abbastanza affidabile soprattutto per determinare l'importanza di una certa rivista. Un IF elevato, infatti, implica che un articolo, per poter essere pubblicato su quella rivista, debba avere caratteristiche particolari e la selezione sarà più ardua.

• Indice di Hirsch (H-Index): proposto nel 2005 da Jorge E. Hirsch della University of California di San Diego, quantifica la prolificità e l'impatto del lavoro di un ricercatore in base al numero di pubblicazioni fatte e di citazioni ricevute e al contrario di quanto avviene con l'IF prescinde dal considerare un solo articolo di grande successo oppure una quantità molto alta di articoli di scarso interesse. Una sua variante è l' h-b-index (Hirsch-Banks Index) che sostituisce al nome dello scienziato uno specifico argomento o composto.

Esistono inoltre altri modelli meno diffusi, come l'Eigenfactor (EI) che tiene conto dei diversi standard di citazione tra una disciplina e l'altra, oppure il Publish or Perish (PoP) che consente di calcolare indici bibliometrici di uno specifico autore.

L'IF è al momento l'indice di riferimento quando si parla di classificazione delle riviste scientifiche, ne va una sorta di classifica per importanza. Naturalmente sarebbe sbagliato considerare l'IF come la Legge o la Verità assoluta, anche perchè quantità e qualità sappiamo non andare sempre d'accordo, ma in generale meglio un articolo comparso su Nature che quello del giornalino della scuola che nessuno ha controllato.

Per approfondire:

• https://www.elsevier.com/reviewers/what-is-peer-review
• http://bibliotecadigitale.cab.unipd.it/bd/per_chi_pubblica/archivio/indicatori-bibliometrici
• http://www.anvur.org/index.php?option=com_content&view=article&id=254&Itemid=623&lang=it
• Garfield, Eugene. "Journal impact factor: a brief review." Canadian Medical Association Journal 161.8 (1999): 979-980.
• Bornmann, Lutz, Rüdiger Mutz, and Hans‐Dieter Daniel. "Are there better indices for evaluation purposes than the h index? A comparison of nine different variants of the h index using data from biomedicine." Journal of the Association for Information Science and Technology 59.5 (2008): 830-837.
• https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnhum.2018.00037/full

Pi Greco: 10 curiosità sulla costante matematica più amata (e odiata) del mondo

Per gli appassionati di matematica il 14 Marzo non è un giorno come gli altri. Si celebra infatti il Pi Day, dalla consuetudine anglosassone di scrivere prima il mese (3) e poi il giorno (14).

In questa giorata fisici, matematici, appassionati di scienza, rendono omaggio alla costante più importante fra tutte cercando, con iniziative ed eventi, di avvicinare soprattutto i giovani a una disciplina molto spesso temuta come la matematica.

1. Cos'è il Pi Greco? 

Il Pi greco, indicato con la lettera greca π, è una costante matematica importantissima ed è definita come il rapporto fra la circonferenza e il diametro di un cerchio.

Viene chiamata anche Costante di Archimede perchè fu lui il primo a calcolarla utilizzando poligoni (fino a 96 lati) inscritti all'interno di circonferenze, calcolando infine l'approssimazione necessaria.

2. Un'infinità di numeri decimali

La maggior parte di noi sa che il Pi greco vale 3.14, ma in realtà nel corso dei secoli sono stati calcolati sempre nuovi numeri decimali.

Newton calcolò le prime 16 cifre decimali e infine i computer arrivarono a contarne fino a 5 miliardi, finchè nel 2013 si arrivò fino a 12 miliardi.

3,14 159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971... praticamete un numero infinito di cifre.

3. Non solo Archimede

Non fu Archimede il primo a tentare di calcolare il Pi greco. Prima di lui ci provarono i Babilonesi che lo calcolarono valere 3.125, poi gli antichi egizi per cui valeva 3.1605 e i cinesi che calcolarono valesse 3.

4. Il Pi greco è ovunque

Sapete quant'è il calcolo fra la lunghezza di un fiume sulla distanza sorgente-foce in linea d'aria?

Naturalmente Pi greco.

Ma non solo. Anche nelle eliche del DNA, nelle pupille, nei cerchi concentrici che si formano quando si getta un sasso nell'acqua, e in moltissime altre figure in natura si può ritrovare questa costante.

5. Il caso O.J.Simpson

Durante il famoso caso giudiziario che vide coinvolta la star del football americano OJ Simpson fu proprio il pi greco a giocare un ruolo fondamentale: un agente non lo prese in considerazione, sbagliando a calcolare l'area di una goccia di sangue usata per identificare il DNA dell'assassino, pertanto le prove non furono convalidate e OJ fu scagionato.

6. La legge dell'Indiana sul Pi greco

Nello stato dell'Indiana si lavorò per molto tempo a un progetto di legge che prevedeva l'assegnazione del valore del pi greco come pari a 3.23.

Il disegno di legge fu redatto dal fisico e matematico dilettante Edward (o Edwin) J. Goodwin che lo presentò alla camera dei deputati dove fu votato all'unanimità. Alla fine però affondò quando fu mostrato al matematico Clarence Abiathar Waldo per il passaggio al senato.

7. Un numero musicale

La cantante pop Kate Bush ha dedicato un intero brano, intitolato proprio Pi, a questa costante, in cui si parla di un matematico ossessionato dalla ricerca delle infinite cifre decimali.

8.  π – Il teorema del delirio

Non solo musica, ma anche grande cinema. Il regista Darren Aronofsky ha infatti dedicato questo film a questo affascinante numero. L'eccentrico e geniale matematico Maximillian Cohen scopre studiando il mercato azionario una relazione fra la teoria del caos e il pi greco, questo lo porterà a essere bersaglio di uno spietato investitore e di un prete ebreo ortodosso che sa che Cohen ha trovato la stringa che codifica il vero nome di JHWH, perduto fin dai tempi della distruzione del tempio di Gerusalemme.

9. Crostata per festeggiare

Il simbolo dei festeggiamenti del Pi Day è la crostata (pie in inglese), fin da quando nel 1988, primo Pi Day in assoluto, un gruppo di manifestanti composto da gente comune e dipendenti dell'Exploratorium di San Francisco marciarono intorno a un edificio di forma circolare per poi dirigersi verso un'enorme crostata preparata per l'occasione.

10. Il compleanno di Einstein

Per pura coincidenza, infine, Albert Enstein è nato proprio il 14 marzo. Il pi greco è una costante di fondamentale importanza in fisica, ed è presente in moltissime fra le formule più utili e rivoluzionarie di questa scienza.

Cinque donne di scienza che hanno cambiato il mondo

Oggi è 8 Marzo ed è la Giornata Internazionale della Donna.

Mentre c'è chi si limita a regalare mimose alle proprie amiche, molti altri invece dibattono su temi ancora troppo attuali come il femminicidio, la disparità di salari, la condizione ancora di sottomissione della donna in moltissime parti del mondo.

Qui, su Del Carbonio e Altre Storie voglio ricordare invece che, nonostante ci sia ancora molto da fare, le donne hanno da sempre e oggi più che mai dato un contributo importante alla scienza.

Ipazia

Vissuta ad Alessandria d'Egitto fra il 350 e il 415 d.C. Ipàzia è stata una matematica e filosofa greca, da molti ritenuta una vera e propria martire del libero pensiero.

Fin da bambina fu istruita dal padre nella matematica e nell'astronimia, diventando ben presto più brillante ed erudita del suo maestro, fino a divenire, già dal 393, capo della scuola filosofica Alessandrina.

Purtroppo non ci sono giunti suoi scritti e tutto ciò che sappiamo di lei deriva da quanto scritto dal suo più fedele allievo, Sinesio, e da filosofi suoi posteriori come Socrate Scolastico che di lei dice:  «era giunta a tanta cultura da superare di molto tutti i filosofi del suo tempo, a succedere nella scuola platonica riportata in vita da Plotino e a spiegare a chi lo desiderava tutte le scienze filosofiche. Per questo motivo accorrevano da lei da ogni parte tutti coloro che desideravano pensare in modo filosofico».

Fu così rispettata che il suo potere divenne anche in un certo senso politico e ben presto il suo insegnare pubblicamente nelle piazze una filosofia e una astronomia di chiara deriva ellenica, cioè pagana, divennero motivo di scontro fra i filosofi della scuola alessandrina, fra cui proprio Ipazia, e la Chiesa Cristiana che si era insediata ad Alessandria e che portava avanti un'opera di distruzione di qualsivoglia forma di paganesimo.

La vicenda culminò con l'omicidio della donna ad opera di un gruppo di cristiani. 

La figura di Ipazia è però così radicata nel pensiero comune che ancora oggi sono decine i romanzi, i film, i dipinti, ispirati a lei.

Elena Lucrezia Corner Piscopia

Quinta figlia di uno degli esponenti delle più importanti famiglie Veneziane nel 1600.

Spronata dal padre, che accortosi delle doti di sua figlia intendeva portare ancora più lustro alla famiglia, Elena crebbe in un ambiente in cui la fisica era di casa (il suo bisnonno era stato amico di Galileo Galilei) e in giovane età si fece oblata benedettina, in modo da poter unire la sua vocazione religiosa con la volontà di proseguire gli studi.

Dopo che ebbe tenuto una disputa pubblica di filosofia in latio e in greco, suo padre chiese che Elena venisse iscritta alla facoltà di Teologia, ma il Vescovo di Padova si oppose fermamente, ritenendo oltraggioso che una donna si desse a questo tipo di studi.

Ne scaturì una disputa che si risolse con il compromesso: una laurea in filosofia.

Nonostante le fosse proibito esercitare l'insegnamento, Elena fu la prima donna ad ottenere un dottorato nella storia, il 25 giugno 1678.

Morì a soli 38 anni, ma ilsuo fu un contributo fondamentale alla storia delle donne nella scienza.

Maria Skłodowska 

Meglio nota come Marie Curie fu la prima donna a ricevere un premio Nobel per la sua attività scientifica e l'unica donna a riceverne due e la prima donna a ottenere una cattedra alla Sorbona.

Grande memoria, capacità di concentrazione e una sete di sapere inesauribile, Maria è la beniamina dei suoi insegnanti e si laurea in fisica e matematica alla Sorbona di Parigi.

Insieme a suo marito Pierre Curie, si occupa degli studi sulla radioattività nel 1903, mentre ne riceverà un altro, questa volta da sola, in chimica grazie alla scoperta di due nuovi elementi, il Radio e il Polonio., nel 1911.

Sicuramente quando siparla di donne che hanno cambiato il corso della scienza, Marie Curie è una delle prime a venire in mente, il suo contributo è stato importantissimo in un periodo in cui le donne iniziavano a combattere per i propri diritti e per poter avere le stesse possibilità e opportunità degli uomini.

Marie ha dimostrato che le donne e gli uomini possono collaborare per ottenere grandi risultati, ma soprattutto che le donne possono fare grandi cose grazie solamente alla propria intelligenza e al duro lavoro.

Dorothy Crowfoot Hodgkin

Premio Nobel per la chimica nel 1964, Dorothy è stata una pioniera negli studi sulla cristallografia a raggi X, una tecnica utilizzata poer ottenere la struttura tridimensionale di molecole.

Nel 1934 per la prima volta, assieme al suo supervisore, riesce a fotografare alcuni cristalli di pepsina, un enzima che si trova nei succhi gastrici, dimostrando le enormi potenzialità dei raggi X applicati alle molecole biologiche.

Andando contro l'etichetta, dopo essersi sposata, continua a firmare i suoi lavori con ilsuo cognome da nubile e, pur malata di artrite reumatoide, prosegue i suoi studi sulle molecole biologiche, dall'insulina al colesterolo, dalla vitamina B12 alla penicillina.

In particolare i cristalli di insulina erano troppo complicatiper essere analizzaticon gli strumenti dell'epoca, quindi Dorothy perfezionò lei stessa la tecnica dei raggi X per decenni, fino a ottenere la struttura dell'insulina nel 1969, nel trentacinque anni dopo il primo tentativo.

Dopo aver ottenuto il premio Nobel, ottiene anche la Medaglia dell'Ordine al Merito del Regno Unito, seconda donna nella storia e prima scienziata.

Rita Levi Montalcini

Una delle più grandi donne del nostro tempo, premio Nobel per la medicina, unica donna italiana ad aver vinto questo premio nella scienza, senatrice a vita della Repubblica Italiana.

Si è occupata per tutta la vita di neuroscienze ed è proprio grazie alla scoperta nella proteina NGF, che le è valso il Nobel (insieme al suo collaboratore  Stanley Cohen) se questo ambito assume sempre maggiore importanza nelle scienze naturali.

Ha lavorato per lo più negli Stati Uniti, ma ha fatto molto per l'Italia: crea a Roma un centro di ricerca sul NGF, fonda e dirige l'Istituto di Biologia Cellulare presso il CNR, fonda l’EBRI (European Brain Research Institute) sempre a Roma, fonda la sezione italiana della Green Cross International, riconosciuta dalle Nazioni Unite, e scrive ancheun libro per ragazzi intitolato "Le tue antenate" in cui parla proprio di donne pioniere nella scienza, che hanno dovuto lottare per entrare nei laboratori e per veder riconosciute le loro scoperte. Sicuramente una dei più fulgidi esempi di donne scienziate dei giorni nostri.

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

Per sciare ci vuole chimica

Siamo in pieno clima olimpico, e cosa c'è di più affascinante di queste due settimane in cui il mondo sembra fermarsi per guardare centinaia di atleti e atlete darsi battaglia per conquistare una medaglia d'oro? Le Olimpiadi sono da sempre un momento magico, una specie di bolla in cui la battaglia è solo sportiva e dopo la gara ci sono solo sorrisi e abbracci. 

Alle Olimpiadi Invernali è lo Sci lo sport più seguito, il più simbolico, e per poter vincere una medaglia nello sci sono necessari anni di preparazione, allenamento, sacrifici... e un po' di chimica.

Sì, perchè per poter sfrecciare a più di 100 Km/h su una pista innevata, non si perfezionano solo gli atleti, ma anche le attrezzature con cui questi atleti gareggiano.

Come chiunque abbia mai sciato sa perfettamente, esistono svariati tipi di cere che vengono applicati sugli sci per fare in modo che scivolino più velocemente sulla neve; ciò che apparentemente sembra semplice, come il gesto di spalmare della cera su un'asse, nasconde invece molti segreti.

Le cere

Chimicamente parlando, con il termine cera si indica una miscela di esteri che rispetta le seguenti caratteristiche:

• malleabilità a temperatura ambiente;
• un punto di fusione di circa 45 °C 
• una viscosità relativamente bassa quando fusa (diversamente da quasi tutte le materie plastiche);
• insolubilità in acqua;
• idrofobia.

Sicuramente quando si parla di cera la prima a venire alla mente è la cera d'api, ma in realtà ne esistono moltissimi tipi, sia naturali (che possono essere di derivazione animale o vegetale) che sintetiche.

formula della cera d'api

Esistono anche un terzo tipo di cere ed è quella detta paraffiniche, ricavate dalla distillazione del catrame, composte da idrocarburi solidi.

Le cere sono diffusissime in natura perchè svolgono molteplici ruoli di grande utilità: molte foglie sono ricoperte da sottilissimi strati di cera che le preservano dall'umidità, dalle malattie e dai parassiti; le mele, ad esempio, così come molti frutti, hanno sulla buccia uno strato di cera che fa scivolare via l'acqua (edè il motivo per cui acquistano lucentezza se vengono strofinate); molti animali producono cera per proteggersi dai predatori o dall'acqua.

La cera per vincere una medaglia 

Le cere per sci non sono tutte uguali e si basano su molti fattori che vanno tenuti in considerazione durante una gara: la consistenza della neve, la temperatura, l'umidità, il tempo atmosferico, il tipo di performance richiesta.

Naturalmente durante una discesa di velocità si dovrà usare un differente tipo di cera rispetto a chi invece pratica lo sci di fondo, così come una neve appena caduta vorrà un certo tipo di attrito a differenza di una neve più vecchia e quindi più compatta; usare la cera sbagliata può andare a inficiare anche di parecchio il rendimento di un atleta.

Ma come funziona?

Il primo strato applicato sul fondo dello sci è composto da idrocarburi (molecole, cioè, che hanno una lunga catena di atomi di carbonio) che formano con il materiale di cui questo è composto (di solito un materiale polimerico) un legame che fa in modo di tenere lontano lo sporco e, soprattutto, l'acqua.
Il secondo strato, che viene applicato sopra il primo, è composto invece da cere contenenti fluorocarburi (molecole che hanno, oltre al carbonio e all'idrogeno, anche il fluoro), queste cere sono più morbide di quelle idrocarburiche e quindi hanno l'effetto di aumentare la velocità, in quanto riducono l'attrito fra la superficie della neve e lo sci.

esempio di fluorocarburo

Lo scienziato Jeffrey Bates, della Utah University negli U.S.A., ha inoltre inventato un nuovo tipo di cera che non ha bisogno di essere riapplicata ogni volta che si deve usare lo sci, ma che può durare anche tutto l'inverno.

Questa cera riesce a inserirsi negli spazi incredibilmente piccoli (nell'ordine dei nanometri, cioè la miliardesima parte del metro) che esistono  nel materiale polimerico di cui è composto lo sci, rimanendo quindi lì anche per molto tempo prima di dover essere riapplicata.

Molti atleti in queste olimpiadi hanno usato e stanno usando questa nuova cera inventata da Bates, anche se lui sostiene di averla inventata principalmente per chi non è un atleta olimpico ma scia solo per divertimento.

Beh, che dire, grazie Jeffrey!

Quando si pensa alla chimica si pensa sempre a qualcosa di distante, un po' oscuro, forse persino pericoloso, eppure basta un po' di attenzione per accorgersi che può essere incredibilmente utile in tantissime attività, dal rendere una mela lucida e appetitosa fino a vincere una medaglia d'oro alle olimpiadi invernali. Un bel traguardo per un materiale spesso poco considerato e bistrattato come la cera.

Bibliografia:

• http://www.chimicamo.org/chimica-generale/cere.html
• https://www.sciencenewsforstudents.org/article/olympic-ski-racers-use-chemistry-enhance-their-performance

I segreti della caffeina, la droga più diffusa al mondo

No, non avete letto male, ho detto proprio droga. Non tutti sanno (o sarebbero disposti ad ammettere) che quella tazzina di caffè al mattino senza la quale non si riesce proprio a svegliarsi, o la tazza di tè che si sorseggia mentre si legge un libro, non sono poi molto diverse da droghe molto più pericolose come la cocaina. 

Naturalmente gli effetti della cocaina, come di qualsiasi altra droga "tradizionale" sono ben più devastanti, eppure entrambi donano una diffusa sensazione di piacere, stimolano l'attività cerebrale e creano dipendenza, come chiunque di noi può testimoniare dopo qualche giorno di astinenza.
E a differenza della cocaina, la caffeina è generalmente diffusissima.
No, non correte subito a gettare via le vostre moka, non nascondete le teiere, potete star tranquilli, come ogni cosa è solo una questione di quantità, tanto che in piccole dosi la caffeina può avere anche effetti benefici.

Ma che cos'è la caffeina?

La caffeinà è, chimicamente parlando, un alcaloide contenuto all'interno delle foglie di alcuni particolari tipi di piante, come il cacao, il tè, la coca e il guaranà, inoltre è una sostanza psicoattiva, poichè interferisce con alcuni processi biochimici (come la sintesi di neurotrasmettitori) inducendo la stimolazione del sistema nervoso centrale e cardiovascolare, nonchè moltissimi altri effetti secondari su tutto l'organismo.

Caffeina

L'uso di questa sostanza ha origini antichissime: se ne trova traccia già in Messico nel 1500 a.C. ma fu con la scoperta dell'America che caffè, tè e cacao si diffusero un po' ovunque e in particolare in Europa, tanto che il caffè ormai può quasi essere considerata, qui in Italia, bevanda nazionale. Fu addirittura importantissimo per la nascita e la diffusione dei giornali, grazie ai famosissimi caffè parigini.

Molti credono erroneamente che la caffeina sia contenuta unicamente nel caffè, e che al contrario nel tè si trovi la teina, dando per scontato che siano due molecole diverse. 

L'errore deriva da un fraintendimento storico: inizialmente, infatti, la caffeina fu individuata e isolata nel 1819 dal chimico Friedrich Ferdinad Runge e solo successivamente, nel 1827, fu isolata dal tè la teina, creduta quindi una sostanza diversa. Ora, grazie ai moderni mezzi spettroscopici che ci permettono di vedere le molecole atomo per atomo, sappiamo che sono la medesima sostanza, la 1,3,7-trimetilxantina per chiamarla con il suo nome chimico (IUPAC), e furono proprio gli studi sulla determinazione della struttura della caffeina, e la sua successiva sintesi, che valsero al chimico Hermann Emil Fischer il premio Nobel nel 1902.

Nel tè inoltre, insieme alla caffeina, sono contenuti altri alcaloidi con proprietà simili, in particolare la teobromina che ha l'effetto di amplificare l'azione della caffeina nell'organismo.

La caffeina fa male?

Rispondere a questa domanda non è immediato come si potrebbe pensare.

Niente, infatti, è in forma assoluta tossico o benefico, ma si parla di Tossicità Acuta o Tossicità Cronica, ovvero quanto una tale sostanza sia tossica nel momento dell'assunzione o quanto sia tossica a lungo termine. 

Per quanto riguarda la tossicità cronica della caffeina, nessuno studio ha rilevato risposte certe in merito, mentre per quanto riguarda la sua tossicità acuta si hanno dati ben definiti: la dose di assunzione letale (per un individuo di peso medio intorno ai 70 kg) è stata stimata essere circa 10 g di sostanza, cioè l'equivalente di 170 tazze di tè (numero che può variare a seconda dei tipi di tè) e 130 tazzine di caffè assunte una dopo l'altra. 

D'altro canto, la caffeina è largamente studiata dall'industria farmaceutica a causa dei suoi effetti benefici.

Un uso classico di questa sostanza è come farmaco contro l'emicrania: il principio attivo fondamentale per il trattamento dell'emicraia è l'Ergotamina, il cui assorbimento è fortemente facilitato dall'azione della caffeina.

Inoltre, fra le azioni biochimiche della caffeina c'è il blocco delle funzioni dell'Adenosina, ed è questa caratteristica che ne fa un antidolorifico simile a i farmaci cosiddetti FANS.

Infine, è largamente usata a livello cosmetico come trattamento anticellulitico.

In conclusione, finchè non si esagera, eccedendo in maniera incontrollata e pericolosa, una buona tazza di tè o quel caffè così profumato subito dopo pranzo, sono un piacere fondamentalmente innocuo, nonostante le molte affinità fra la caffeina e una droga come la cocaina.

Un esempio di come, nel mondo che ci circonda e in particolare nello studio della chimica, simile non vuol dire assolutamente uguale e anche un dettaglio apparentemente insignificante faccia tutta la differenza del mondo.

Sarà pure la droga più diffusa al mondo, ma alla fine è una droga di cui possiamo benissimo non fare a meno.

Bibliografia:

• I bottoni di Napoleone: come 17 molecole hanno cambiato la storia - P. Le Couteur, J. Burreson - TEA editore
• http://www.lescienze.it/news/2002/09/02/news/il_caffe_come_la_cocaina_-589182/
• http://www.pianetachimica.it/didattica/caffeina/caffeina.htm
• http://chimichiamo.altervista.org/blog/teina-caffeina-unidentita-poco-nota/
• http://blog.edoapp.it/caffeina-e-teina-che-differenza-ce/