Chi era veramente Heisenberg

Walt: “You all know exactly who I am. Say my name….I’m the cook. I’m the man who killed Gus Fring. Now say my name.”

Declan: “Heisenberg.” 

Walt: “You’re goddamn right.”

Heisemberg.

Un nome che è ormai diventato leggenda, a dieci anni dalla messa in onda del primo episodio della serie Breaking Bad, in cui un professore di chimica un po' sfigato, a cui viene diagnosticato un cancro, diventa un signore della metanfetamina dal minaccioso nome d'arte di, appunto, Heisenberg.

Cinque stagioni, valanghe dipremi, un successo planetario, un vero capolavoro televisivo che ha portato alla ribalta una materia spesso bistrattata come la chimica e sulla bocca di tutti il nome di Heisenberg.

Ma chi era costui?

Werner Karl Heisenberg

Prima di diventare l'alter ego di Walter White, era un fisico tedesco, nato nel 1901 e premio Nobel nel 1932 per il suo lavoro sulla meccanica quantistica.

Fu uno dei principali protagonisti della chimica-fisica tedesca di quegli anni, insiema a Bohr, Pauli, Schroedinger e lo stesso Albert Einstein, rivoluzionando la visione del mondo atomico che si era avuta fino a quel periodo e apredo le porte al mondo quantistico e alla teoria secondo cui gli elettroni non sono semplicemente piccole particelle in orbita intorno a un nucleo, ma particelle dal comportamento simile a quello di un'onda.

Nonostante il suo lavoro di incredibile importanza, Heisenberg ebbe molti problemi nel superare gli esami universitari, tanto da ricevere il punteggio minimo al suo dottorato, inoltre ebbe anche alcune difficoltà con la matematica (ironico se si pensa che il suo contributo più significativo alla meccanica quantistica fu proprio  di tipo matematico).

Non era tutto rose e fiori, comunque, e fra Heisenberg e Shroedinger ci furono parecchi attriti, tanto che disse: Quanto più penso agli aspetti fisici della teoria di Schrödinger, tanto più repellenti li trovo. Quel che Schrödinger scrive della visualizzabilità della sua teoria "non è probabilmente del tutto esatto", in altri termini sono cretinate.

Controverso è anche il lavoro di Heisenberg all'interno della Germania nazista.

Rimase in patria durante la Seconda Guerra Mondiale e guidò il Programma Nucleare Militare Tedesco, la rivelazione del quale portò alla fine della lunga amicizia che il fisico aveva con il collega Bohr.

A lungo si è speculato, e lo stesso Heisenberg ha in seguito sostenuto questa tesi, sulle sue remore morali e se non avesse cercato di ritardareil progetto tedesco deliberatamente. Non si è mai davvero capito se Heisenberg fosse o meno aderente al Partito Nazista e probabilmente non si saprà mai la verità, ma sicuramente la figura di questo scienziato continua a essere affascinante.

Il Principio di Indeterminazione

La meccaica quantistica è una materia molto ampia, spesso contraddittoria, non ancora pienamente padroneggiata nemmeno da chi la studia e ne formula i principi, tanto che fra i chimici e i fisici che se ne occupano spesso si sente dire che nessuno l'ha davvero capita e chi afferma il contrario o è un idiota oppure mente.

Per poterne parlare approfonditamente e in maniera esaustiva è necessaria una complessa formulazione matematica fatta di equazioni, matrici, integrali, derivate e tutte quelle cose che non sempre a scuola si affrontano e che spesso sono l'incubo di chi le incontra. Inoltre alcuni aspetti della meccanica quantistica possono anche sfociare nel dibattito filosofico.

Al tempo di Heisenberg si era ancora agli inizi e vi era un proliferare di teorie, dibattiti e controteorie, gli stessi fautori di questa scienza non si trovavano concordi e la comunità scientifica era dibattuta.

L'articolo di Heisenberg, uscito nel 1927, è di grandissima importanza perchè getta delle solide basi matematiche e si va ad affiancare alla teoria del dualismo onda-particella enunciata da Schroedinger, secondo cui non ci sono orbite in cui si collocano gli elettroni in un atomo, ma una sorta di nube di probabilità.

Nel principio di indeterminazione, invece, si afferma che una incertezza minore sulla posizione di una particella (  Δx ) si traduce in una incertezza maggiore riguardo alla sua quantità di moto ( Δp ):

In parole semplici: immaginiamo un elettrone come se fosse una pallina che si muove nello spazio; se io volessi sapere a quale velocità questo elettrone si muove, non potrei saperne la posizione esatta, al contrario per conoscerne la posizione io dovrei in un certo senso fermarlo e quindi perderei certezza sulla misurazione della sua velocità.

Naturalmente non è così semplice e dietro quella piccola formula ci sono tantissime dimostrazioni matematiche, ma questo è un principio talmente fondamentale che tutta la chimica moderna e la fisica delle particelle non possono prescindere da esso. 

Schroedinger, padre della meccanica quantistica (che aveva ipotizzato l'elettrone come un'onda di cui è possibile conoscere solo la probabilità che si trovi da qualche parte finchè non facciamo effettivamente la misurazione necessaria), trovava questa teoria, fatta di matematica e tabelle numeriche, le matrici appunto, incredibilmente brutta, ma in realtà non sono che due metodi, l'uno più intuitivo e filosofico, l'altro più formale e matematico, di dire lo stesso affascinante e rivoluzionario concetto.

Un personaggio fuori dagli schemi, una figura controversa e spesso poco amata dai suoi stessi colleghi, eppure è innegabile che Heisenberg sia stato una colonna portante della scienza moderna, aiutandoci a dare un'occhiata più approfondita al mondo che ci circonda. 

Se si chiede a un chimico di dire il primo nome che gli passa per la testa, è molto probabile che la risposta sarà proprio Heisenberg.

Forse è per questo che Walter White ha deciso di sceglierlo come nome d'arte, portandolo alla ribalta anche nella cultura pop degli anni 2000.




Bibliografia :

• http://www.treccani.it/enciclopedia/werner-karl-heisenberg/
• http://www.museocivico.rovereto.tn.it/news_notiziario_detail.jsp?ID_NEWS=267&areaNews=0&GTemplate=news_notiziario_archivio.jsp
• Chimica fisica di Peter William Atkins, Julio de Paula. Zanichelli ed.

Con tutte quelle bollicine

Non c'è capodanno, e in generale non c'è festa, senza che si stappi una bottiglia di un vino frizzante, che sia esso champagne francese o spumante italiano. 

Insomma, non esiste celebrazione che non veda come protagonista la nostra amata/odiata anidride carbonica.

Ma come si forma? Cosa trasforma il succo d'uva in frizzante vino delle feste?

La fermentazione

La fermentazione è un meccanismo metabolico usato da alcuni microrganismi per produrre energia da particolari molecole organiche (come i carboidrati ad esempio) in assenza di ossigeno. 

La fermentazione alcolica, in particolare, è utilizzata dai lieviti per scindere zuccheri complessi ed è usata da moltissimo tempo per produrre molti cibi, basti pensare che già gli antichi egizi e i sumeri la utilizzavano per la produzione di birra.

schema della fermentazione alcolica per chi mastica un po' di chimica

Quando si produce il vino entrano ingioco due diversi lieviti:

• Apiculati: sono i primi ad agire e muoiono quando lo zucchero inizia a trasformarsi in alcol
• Ellittici: sono più resistenti e portano a termine la fermentazione

La prima fermentazione, che dura dai 7 ai 10 giorni, è detta fermentazione tumultuosa, ed avviene in speciali vascheaperte, quindi l'anidride carbonica così prodotta si disperde nell'ambiente.

Metodo champenoise

Chiamato anche metodo classico è la seconda parte della fermentazione ed è quella che garantisce la formazione delle bollicine, in particolar modo per quanto riguarda la produzione del tradizionale champagne francese.

Questo metodo consiste nell'introdurre speciali lieviti direttamente nella bottiglia insieme al vino fermentato precedentemente. Le bottiglie sono tenute orizzontalmente, in assenza di umidità, vibrazioni e rumori e con luce molto scarsa (la luce potrebbe infatti ossidare il vino, per questo le bottiglie sono scure!).

In queste condizioni i lieviti agiscono trasformando gli zuccheri rimasti in anidride carbonica che, non potendo fuoriuscire, si discioglie nel liquido.

Più tempo si dedica a questa fermentazione, più lo champagne sarà di qualità, perché si fa in modo che tutti i lieviti agiscano completamentee poi muoiano, senza lasciare quindi residui di alcun tipo che possono alterarne le proprietà organolettiche, quali sapore e aromi.

Metodo Martinotti

Con questo metodo viene prodotta la maggior parte degli spumanti italiani e differisce dal metodo precedente per una maggiore facilità produttiva.

Il vino non viene imbottigliato subito, ma dopo essere stato filtrato viene trasferito in autoclavi, in cui sono successivamente aggiunti i lieviti, insieme agli zuccheri e ai sali minerali necessari perchè tali lieviti siano attivati.

Con questo metodo la fermentazione è molto rapida (circa 20 giorni) e per migliorarne la qualità lo spumante ottenuto è filtrato in condizioni iperariche (cioè sotto alta pressione) in modo da evitare perdite di anidride carbonica.

Successivamente si sottopone a condizioni di temperatura molto basse per favorire la precipitazione di acido tartarico, per poi essere nuovamente filtrato e, finalmente, imbottigliato.

L'acido tartarico si trova in molti frutti, fra cui l'uva, ed è usato per regolare l'acidità dei vini.

Insomma, che sia champagne o spumante, a un bel bicchiere di bollicine non si può mai rinunciare per festeggiare adeguatamente il nuovo anno. Perciò in alto i calici e tanti auguri!







Per approfondire:

• www.agraria.org
• www.chimica-online.it
• www.winepoint.it

Bianco Natale: la chimica della neve

Il Natale si avvicina e mentre siamo tutti impegnati con regali, panettoni e preparativi vari, anche il freddo è arrivato definitivamente e in moltissimi luoghi della Terra è caduta la neve.

Bellissima, silenziosa e bianca, è uno spettacolo fantastico e un piacere osservarla venire giù dal cielo, magari con una bella tazza di té e un buon libro. Ma cos'è esattamente la neve? Perché è bianca? Come si forma?

 

C'era una volta una nuvola

Tutti sanno che le nuvole non sono altro che milioni di goccioline d'acqua in sospensione nelle parti più alte dell'atmosfera, acqua che deriva da svariate fonti come fiumi, laghi, mari, ma non solo. Questo enorme nuvolone però non contiene solo ed unicamente acqua, ma anche minuscole particelle di polvere (il cosiddetto pulviscolo atmosferico), vapore e ghiaccio, tutti lì a scontrarsi fra loro.

Quando la temperatura è sufficientemente bassa, ecco che uno dei granelli di pulviscolo fa da nucleo di condensazione, cioè richiama su di sé tutte le goccioline di acqua e vapore, ingrandendosi sempre di più e solidificandosi in un cristallo di ghiaccio.

Dovete immaginare un enorme movimento caotico di gocce d'acqua che vanno da una parte all'altra, finché non vengono "catturate" e imprigionate in quello che sarà il futuro fiocco di neve. 

Man mano che la temperatura si abbassa ancora, questo movimento diventa sempre più lento, e infine ogni molecola d'acqua si trova bloccata al vertice di un tetraedro.

L'acqua (composta da Ossigeno in rosso e Idrogeno in blu) si dispone ai vertici di un tetraedro

La particolare forma delle molecole d'acqua (il cui angolo è di 109° allo stato solido e di 104.5° allo stato liquido) fa sì che i tetraedri si dispongano a formare una struttura esagonale tridimensionale composta da vari strati.

A questo punto tutto dipende dalle condizioni atmosferiche di temperatura e umidità che il fiocco di neve incontra nel suo viaggio dalla nuvola al suolo e che sono responsabili delle infinite varietà di forme che possiamo ammirare al microscopio e da cui nasce il detto secondo cui non esistono due fiocchi di neve uguali fra loro.

Naturalmente se, precipitando verso il suolo, il fiocco  incontra una pressione e una umidità maggiore, la struttura esagonale originaria sarà maggiormente modificata, diventando più aghiforme e più complessa, mentre se nel percorso le sollecitazioni atmosferiche sono limitate, anche le modifiche apportate all'esagono saranno poche e quindi sarà possibile vedere chiaramente la forma primigenia del fiocco di neve.

Una piccola curiosità: alcuni ricercatori inglesi sono riusciti a far crescere fiocchi di neve dalla forma pentagonale. Come hanno fatto? Su una superficie di Rame, a una temperatura di -173°C e in condizioni di vuoto.

Giochi di luce

Ora che la neve si è formata e sta cadendo dolcemente sulle nostre città, possiamo renderci conto di qualcosa che, pur essendo abbastanza ovvia, non è poi così immediata: se i cristalli di ghiaccio di cui la neve è formata sono trasparenti (come lo è l'acqua), perché la neve è bianca?

Il trucco sta tutto nel modo in cui la luce colpisce la superficie del manto nevoso e viene riflessa verso i nostri occhi.

Innanzitutto bisogna sapere che il bianco non è un colore vero e proprio, ma il risultato dell'insieme di tutti i colori dello spettro luminoso che, riflessi tutti insieme verso il nostro occhio, ci appaiono come bianco.

Un oggetto trasparente, invece, è quello che permette alla luce di attraversarlo, uscendo (più o meno deviata) dall'altra parte.

Nel caso di una superficie innevata, la luce passa attraverso ogni piccolo cristallo di neve e viene leggermente deviata da ognuno di essi, questo accade così tante volte che il risultato è che il raggio luminoso torna indietro da dove era venuto, con il risultato che guardandolo noi lo vediamo bianco e anche molto brillante, tanto da risultarne quasi accecati e da dover indossare gli occhiali da sole.

Strani nuovi mondi

Ok, la neve è bellissima sulla Terra, ma sugli altri pianeti può nevicare? 

Sembrerà incredibile, ma la risposta è sì.

Nel 2009 la sonda Phoenix ha rilevato precipitazioni nevose sulla superficie di Marte. Questo è possibile perché le nuvole marziane (che di giorno trattengono il calore del sole), di notte raggiungono temperature bassissime ed è quindi possibile la formazione di cristalli di ghiaccio. Purtroppo però queste nevicate non raggiungono mai il suolo ed evaporano prima.

Non solo il Pianeta Rosso, però, ma anche altri pianeti potrebbero avere, almeno in teoria, le condizioni adatte alla formazione di precipitazioni nevose. Inoltre molti scienziati ipotizzano che su Urano e Nettuno, a causa dell'atmosfera carica di metano, sia possibile, con l'aiuto dalle altissime pressioni, che Idrogeno e Carbonio si combinino dando vita a... piogge di diamanti!

Insomma, che la si osservi dalla finestra della nostra casa o attraverso i rilevatori di una sonda spaziale, la neve non perde nulla del suo fascino e continua a essere uno degli spettacoli più suggestivi dell'Universo. 

Specialmente a Natale!

Per approfondire:

• https://www.newscientist.com/gallery/dn16715-pentagonal-ice/
• http://edition.cnn.com/2017/08/23/world/martian-snow-diamond-rain/index.html
• https://www.newscientist.com/gallery/dn16170-snowflakes/

I colori dell'autunno, o del perché le foglie diventano rosse

L'Autunno è una stagione meravigliosa: si possono mangiare le castagne leggendo un bel libro accanto al fuoco mentre si sorseggia vino rosso, la notte di Halloween è piena di bambini in maschera e dolciumi, inizia a fare freddo ma non così tanto da scoraggiare una passeggiata nel parco ad ammirare i colori delle foglie.
Già, le foglie in autunno sono uno spettacolo magnifico. Ma vi siete mai chiesti perché da verdi, in estate, diventano rosse e gialle in questo periodo dell'anno, appena prima di cadere?
In realtà la domanda ha una risposta piuttosto semplice e può ricondursi fondamentalmente alla presenza o meno di una molecola fondamentale e che tutti almeno una volta nella vita hanno sentito nominare: la clorofilla.

La clorofilla e le sfumature del verde

Isolata per la prima volta nel 1817 dal chimico francese  Joseph Bienaimé Caventou, è un pigmento verde (ma in realtà a seconda dei vari tipi di clorofilla presenti in natura può essere anche giallastro) che si trova all'interno di specifiche cellule, i cloroplasti, in cui avviene la fotosintesi. 

Il processo fotosintetico è molto complesso ma può essere riassunto in due fasi principali: 

• la fase luminosa in cui la pianta trasforma l'energia fornita dalla luce solare in energia chimica; in questo processo intervengono due diversi tipi di clorofilla (principalmente la clorofilla a e la b) ma anche altre molecole come i carotenoidi.
• la fase oscura (che nonostante il nome avviene in contemporanea a quella luminosa e vi partecipano anche enzimi attivati proprio dalla luce) in cui l'anidride carbonica presente nell'aria viene immagazzinata dalla pianta e si produce ossigeno.

La clorofilla, quindi, è di grandissima importanza per le piante perché è grazie ad essa se riescono a respirare, a crescere, in sostanza a vivere. Se si guarda la struttura di questa molecola si può notare che è incredibilmente simile a un'altra molecola fondamentale alla vita, cioè l'emoglobina, responsabile della respirazione di tutti gli animali, compreso l'uomo.

Proprio come il gruppo eme dell'emoglobina, la clorofilla è formata da un anello (chiamato clorina) al cui centro vi è un atomo di Magnesio (invece del Ferro del gruppo eme). A questo anello vi sono poi legati diversi gruppi di atomi (gruppi funzionali) a seconda di quale tipo di clorofilla si prende in considerazione.

L'anello è particolarmente importante perché è proprio grazie alla sua struttura se la clorofilla può svolgere un ruolo così importante nella vita delle piante ed è anche grazie a esso se la vediamo di quel bel colore verde.

La presenza di una struttura così complessa e ricca di elettroni, infatti, fa sì che possa assorbire molta energia da convogliare poi in una specie di processo di produzione in cui si ottiene alla fine energia chimica per la pianta, inoltre permette che l'unica energia che non viene assorbita sia quella corrispondente al colore verde dello spettro solare.

Durante la primavera e l'estate, le piante producono una grandissima quantità di clorofilla, tale da nascondere con il suo colore qualsiasi altro, ed è per questo che gli alberi ci appaiono così nei mesi estivi.

Dal rosso al giallo: i carotenoidi

Non c'è solo la clorofilla a far respirare alberi e arbusti, ci sono anche loro: i carotenoidi! Questa importantissima classe di molecole non solo partecipa alla catena di trasporto dell'energia, ma fungono anche da protezione per il centro di reazione.

Sono molecole molto varie e ce ne sono veramente tantissime (circa 600!), ma sicuramente tutti almeno una volta nella vita hanno sentito parlare del famoso Beta-Carotene.

La lunga catena di atomi di carbonio caratteristica di questa classe di composti è anche responsabile della colorazione che può spaziare dal giallo pallido al rosso acceso: gli elettroni, infatti, possono percorrere questa catena più o meno liberamente a seconda del numero e della vicinanza dei legami doppi che la compongono. Questo fa sì che la luce solare riflessa da queste molecole sia quella specifica che va dal giallo al rosso, a seconda della lunghezza della catena

Durante l'autunno, l'aumento delle ore notturne provoca la diminuzione della produzione di clorofilla nelle piante, fino a diventare quasi nulla. 

Liberi dal loro concorrente verde, i carotenoidi sono ora i protagonisti e colorano le foglie di tutti quei magnifici colori dal rossiccio al giallo all'arancione che si possono ammirare in un parco a novembre.

Naturalmente la non presenza di clorofilla e quindi l'assenza di attività fotosintetica, porta anche alla morte delle foglie che, di conseguenza, si seccano e cadono.

Rosso e viola: le antocianine

Un'ultima classe di pigmenti responsabile del colore delle foglie autunnali è quella degli antociani, o antocianine.

Queste molecole non partecipano alla fotosintesi, ma svolgono un ruolo protettivo in moltissime piante, assorbendo i raggi ultravioletti dannosi. Il loro colore può variare dal rosso acceso al viola al blu e dipende sia dalla struttura che dal pH del mezzo in cui si trovano o ancora dalla presenza di alcuni metalli con cui le antocianine si legano per formare dei complessi.

Non sono presenti in tutti i tipi di piante, ma sono responsabili dei colori rossi e blu di molte bacche come i ribes, le fragole o le ciliegie e in molte di quelle piante le cui foglie cadono in autunno

Quando la clorofilla non c'è...

Che siano gialle o rosse, su un grande albero o cadute sul sentiero, quando la clorofilla non diminuisce è il momento di tutte quelle altre molecole, spesso dimenticate e poco conosciute, ma ugualmente importanti, di diventare protagoniste e regalarci tutti i colori dell'autunno!

Per approfondire:

• http://www.treccani.it/enciclopedia/fotosintesi-clorofilliana/
• Color Chemistry_ Syntheses, Properties, and Applications of Organic Dyes and Pigments - Heinrich Zollinger 

Scienziati si diventa: il metodo scientifico

Hennig Brand scopre il fosforo

I vaccini causano l'autismo.

La carne fa venire il cancro.

Le nanoparticelle ci uccideranno tutti.

Lo zenzero allunga la vita.

Quante se ne sentono ogni giorno di notizie del genere? Siamo bombardati da ogni direzione: giornali, social network, politici, quel cugino che vediamo solo a Natale e Pasqua che ha sempre una parola su qualsiasi argomento. Non è sempre facile discernere fra quelle che sono notizie false, bufale, semplici fatti riportati male o invece informazioni utili e veritiere, certamente sembra impossibile per chi non ha un background scientifico di nessun tipo e magari all'università ha studiato tutt'altro. 

Non temete, ci sono qui io, per voi, a dirvi che non è necessario aver preso una laurea in fisica quantistica per riuscire a barcamenarsi in questo mare di informazioni, ma basta avere uno spirito critico, una mente aperta e alcune nozioni base. 

Per questo inauguro oggi questa piccola rubrica dal titolo Scienziati si diventa in cui spiegherò, cercando di essere il più semplice e chiara possibile, alcuni fondamenti base della scienza moderna e di come una ricerca scientifica viene portata avanti.

Per prima cosa partiamo dalle basi, ovvero:

Il metodo scientifico

Non è così facile dare una definizione precisa di che cos'è il metodo scientifico, perché non è qualcosa di fisso, immutabile, una specie di statuto, ma una sorta di procedimento o una linea guida che ogni scienziato segue per poter lavorare bene, in maniera efficiente e per poter vedere il proprio lavoro riconosciuto come valido. Ed è un metodo in continua evoluzione.

Il primo a cui si fa riferimento quando si parla di metodo scientifico è Galileo Galilei che rivoluzionò il modo di fare scienza degli uomini del suo tempo, sostenendo la necessità di una prova pratica, un esperimento, che andasse ad avvalorare un'ipotesi precedentemente formulata dallo scienziato. 

Dai tempi di Galileo, il metodo si è andato sempre più arricchendo, divenendo più preciso, più completo, fino al filosofo Karl Popper che formulò il principio di falsificabilità e persino ad Einstein, che per primo dimostrò un fenomeno fisico (la famosa Relatività Generale) non attraverso un esperimento pratico ma tramite formule matematiche.

Galileo Galilei

A livello teorico non esiste un unico metodo scientifico, ma se ne possono individuare due approcci fondamentali: il metodo definito induttivo, basato sull'assioma che una ipotesi per poter diventare teoria, e quindi essere riconosciuta nella comunità scientifica, debba essere verificata (principio di verificabilità), partendo proprio da quello che fece Galileo durante i suoi studi sul moto e sui pianeti; il metodo deduttivo invece, si rifà alle idee di Popper e dice che nessuna teoria potrà mai essere dimostrata vera a tutti gli effetti e in modo assoluto, ma al massimo si potrà confutare, cioè smentirne la validità (principio di falsificabilità).

Nella pratica una distinzione così netta fra i due metodi non esiste, ma essi sono integrati fra di loro ed utilizzati indifferentemente, perché poi, in effetti, non sono altro che l'evoluzione uno dell'altro.

Metodo Induttivo

Come ho detto, questo approccio si basa su quello che viene definito principio di verificabilità, cioè il principio secondo cui, quando faccio una ipotesi su un determinato fenomeno che ho osservato, ne devo verificare la veridicità tramite un esperimento.

Possiamo schematizzarlo così:

• Osservazione: si identificano le caratteristiche di un dato fenomeno attraverso delle prove che devono essere riproducibili, cioè un qualsiasi altro operatore in qualsiasi altra parte del mondo deve essere in grado di effettuare queste prove nello stesso modo e ottenere gli stessi risultati. A queste prove si dà il nome di Misure

• Esperimento: si perturba il sistema che si sta osservando e se ne misura la risposta (ad esempio Galileo, per spiegare il concetto di accelerazione, fece rotolare un oggetto su di un piano inclinato, andandone a misurare la velocità in ogni punto)

• Correlazione delle misure: si analizzano i dati raccolti prima e dopo l'esperimento, mettendoli in correlazione fra di loro per poter costruire un modello che spieghi il fenomeno.

• Teoria: si formula quindi una legge che spieghi il fenomeno in base a quanto osservato sperimentalmente

Metodo deduttivo

Attraverso gli anni, il metodo scientifico inventato da Galileo si è evoluto, diventando più complesso, ma anche più completo. Il filosofo Karl Popper elaborò un metodo diverso, basato non più su un ragionamento induttivo, ma sulla deduzione e la logica, secondo il quale la ricerca di una verità oggettiva non può basarsi su assoluti, ma sugli errori, e che solo dagli errori si può migliorare ed evolversi.

Il metodo deduttivo è quindi leggermente più complicato da schematizzare:

La statistica

Quindi basta un solo esperimento, per poter accertare o confutare una teoria scientifica?

Beh, se così fosse allora davvero quel nostro cugino avrebbe ragione, perché sarebbe sufficiente un solo avvenimento per avere la strada spianata verso il premio Nobel. 

Esempio di un grafico che si può trovare in un articolo scientifico

Facciamo un esempio: ho mal di testa, perciò prendo un antidolorifico, uno di quelli comunissimi che si possono trovare in qualsiasi farmacia. Dopo aver preso quella pillola, esco a fare una passeggiata e mentre attraverso la strada vengo investita da un'auto che non si è fermata al semaforo. Secondo quello che chiameremo il ragionamento "mio cugino" quel farmaco causa come effetto collaterale quello di finire in ospedale per incidente stradale. Naturalmente è una conclusione totalmente assurda, ma non si discosta poi molto da alcune delle notizie pseudoscientifiche che si sentono in televisione o sui giornali. Su alcuni bugiardini si trovano persino indicate cose come "annegamento" o "incidente stradale" fra gli avvenimenti verificatesi dopo l'assunzione di quel tale farmaco.

È qui che interviene la statistica, una scienza importantissima per tutti gli scienziati che vogliono essere presi sul serio, fondamentale quando si parla di verità scientifica. 

Non è sufficiente che un evento si sia verificato una sola volta per essere scientificamente rilevante, ma non è sufficiente nemmeno che si sia verificato due, tre, dieci volte. Tutti gli studi scientifici, in particolare quelli che si riferiscono a dover studiare un qualcosa che potrebbe apportare benefici o effetti collaterali, devono basarsi su un numero statisticamente rilevante di esperimenti: quando si brevetta un farmaco ad esempio, si va a verificare su un numero molto alto di pazienti, addirittura la sperimentazione continua anche dopo che quel farmaco viene immesso sul mercato, per poter accedere a un numero di dati che sarebbe altrimenti impossibile raggiungere in laboratorio.

Naturalmente il processo che porta a misurare, collezionare e analizzare i dati emersi da una sperimentazione, correlandoli fra loro attraverso la statistica, è molto più lungo e complesso, ma questo sarà oggetto di una prossima puntata, per il momento sapete che bisogna diffidare sempre di chi riporta avvenimenti senza una certa quantità di prove avvalorate da una corretta applicazione del metodo scientifico, misure ben effettuate e statisticamente rilevanti. 

Per approfondire:

http://stradeonline.it/scienza-e-razionalita/2783-medicina-e-metodo-scientifico-anche-la-democrazia-non-e-un-opinione

Galileo Galilei, Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, BUR Rizzoli, 2008

K. R. Popper, Logica della scoperta scientifica, Einaudi, Torino 1970

http://undsci.berkeley.edu/article/intro_01

La chemofobia e la fissa del "naturale": la vitamina C

“Non tutti i prodotti chimici sono dannosi. Senza componenti chimici come l'idrogeno e l'ossigeno, per esempio, non ci sarebbe modo di produrre l'acqua, che è un ingrediente essenziale della birra.”

Dave Barry

C'è chi ha paura dei ragni, chi degli spazi chiusi, chi delle altezze.
E poi c'è chi ha paura della chimica, nonostante, come ci insegna lo scrittore americano premio pulitzer, senza chimica non ci sarebbe la birra e il mondo sarebbe un posto di gran lunga peggiore.

Janet Leigh dopo aver letto l'etichetta del bagnoschiuma

Basta farsi un giro al supermercato per capire immediatamente quanto la chimica faccia paura nel nostro paese (ma non solo): dalla mortadella "senza chimica" al fruttosio 100% naturale, gli scaffali sono pieni di questo genere di messaggi promozionali, con una valenza scientifica pari alla favola di cappuccetto rosso e un prezzo due volte superiore a quello dei prodotti brutti e cattivi pieni di roba chimica.
Sembra incredibile che, nel 2017, si debba ancora ricordare che ogni cosa è chimica e non è solo un modo di dire: noi stessi siamo chimica, fatti da atomi, molecole, composti più o meno grandi. In una fetta di prosciutto non ci sono forse proteine? Carbonio, idrogeno e ossigeno? Il fruttosio, non è forse una molecola?
Allora perché tanta paura?

Chimico vs Naturale

Le proprietà di una molecola dipendono unicamente dalla sua struttura e non da come essa sia stata sintetizzata.

Per un chimico è qualcosa di scontato, ovvio come il fatto che il cielo è azzurro, ma per molti non addetti ai lavori è davvero difficile da credere. Nella vita di tutti i giorni, infatti, è molto comune fare attenzione a come si arriva a qualcosa, oltre che a quel qualcosa in sé, basti pensare a quanta attenzione si pone sull'alimentazione degli animali che poi diventano le nostre bistecche.
In chimica non è così e il termine naturale assume un'accezione completamente diversa. Per un chimico, una sostanza naturale indica semplicemente una molecola che è presente in qualche modo in natura, senza con questo dare connotazione positiva o negativa.
La muscarina, per esempio, è una molecola naturale, contenuta in un fungo naturale, nei naturalissimi boschi, eppure è una pericolosissima neurotossina, responsabile della pericolosità elevatissima della Amanita Muscaria.

Amanita Muscaria

Molto comune è in chimica prendere spunto dalla natura, magari andando a estrarre e isolare una particolare molecola che si è visto avere effetti benefici, per poi andare a trovare un modo alternativo di produrla, magari cercando di modificarla per poter aumentare l'azione ad esempio farmacologica, o trovare altre vie di somministrazione, o ancora abbassare i costi di produzione.
E' il caso della Vitamina C.

L'Acido-L-Ascorbico, per gli amici Vitamina C

Sappiamo tutti che l'Acido Ascorbico, o più comunemente noto come Vitamina C, è un composto essenziale per l'uomo e la sua mancanza provoca una malattia molto grave che è lo Scorbuto.

Inizialmente questa importantissima molecola fu estratta dai limoni, ma ben presto ci si rese conto che una produzione industriale richiedeva la messa a punto di un processo di sintesi.

Per capire i motivi basta fare qualche calcolo: in una scatola di vitamina C comprata al supermercato (che sia bio o meno) ci sono circa 40 compresse, ogni compressa è circa 1 grammo di vitamina C pura; in una singola arancia ci sono più o meno 45 mg di vitamina e pur supponendo che si riesca a estrarre il 100% della sostanza (cosa, purtroppo, impossibile) ci vorrebbero più di 22 arance per fare una sola compressa! Pensate ora a quante scatole di Vitamina C ci sono in un supermercato, o in farmacia e pensate a quante ne sono prodotte in tutto il mondo e immaginate quante arance sarebbero necessarie per ottenerla.

Naturalmente non è possibile pensare di sostenere dei costi del genere.

Attualmente la maggior parte dell'Acido Ascorbico è prodotto tramite il Processo Reichstein, dal nome del chimico che lo inventò nel 1934, che parte dal Glucosio e attraversa ben sette step bio-sintetici. Naturalmente si sta lavorando per cercare anche metodi alternativi e meno costosi, utilizzando anche le biotecnologie.

E quindi? Siamo stati tutti imbrogliati? La Vitamina C che ci vendono non è vera Vitamina C?
Tranquilli.
Come ho già detto, è impossibile distinguere una molecola di Acido-L-Ascorbico estratto da un limone, magari coltivato biologicamente nell'orto di casa nostra, dalla molecola di Acido-L-Ascorbico sintetizzata da un'industria farmaceutica.
Gli atomi non hanno memoria, non hanno alcun modo di sapere se prima di essere il Carbonio 1 di una molecola di Vitamina C erano il Carbonio 3 di un pericolosissimo veleno come la Muscarina.
Ovviamente la maggior parte delle persone non sono chimici e sono perciò portate a pensare come si farebbe comunemente nella vita di tutti i giorni e a credere che quella graziosa scatolina, piena di fotografie di frutti freschi e colorati, sia effettivamente migliore e più sana di quella meno bella e senza frutta, ma che costa la metà.

Gli atomi saranno anche smemorati, ma voi la prossima volta che il marketing premerà sul naturale e senza chimica, ricordatelo, non abbiate paura della chimica e risparmierete di sicuro!

Articoli per approfondire:

Klimczak, Inga, et al. "Effect of storage on the content of polyphenols, vitamin C and the antioxidant activity of orange juices." Journal of Food Composition and Analysis 20.3 (2007): 313-322.

Gliszczynska‐Swiglo, A. A. G. A., and B. Tyrakowska. "Quality of commercial apple juices evaluated on the basis of the polyphenol content and the TEAC antioxidant activity." Journal of Food Science 68.5 (2003): 1844-1849.

Bremus, Christoph, et al. "The use of microorganisms in L-ascorbic acid production." Journal of biotechnology 124.1 (2006): 196-205.

http://blogs.nature.com/thescepticalchymist/files/2014/06/nchem_-Chemical-Free.pdf

Reichstein, T., A. Grussner, and R. Oppenauer. "Synthesis of ascorbic acid and related compounds by the osone-hydrocyanic acid method." Helvetica Chimica Acta 17 (1934): 510-520.

Bremus, Christoph, et al. "The use of microorganisms in L-ascorbic acid production." Journal of biotechnology 124.1 (2006): 196-205.

Reichstein, T., Grussner, A., Oppenauer, R., 1933. Die Synthese der ¨

d-Ascorbinsaure ( ¨ d-Form des C-Vitamins). Helv. Chim. Acta 16,

561–565.

I raggi UV, le creme solari e il misterioso oxibenzone

Ah, l'estate!

Il caldo asfissiante, il sudore, i mezzi pubblici che diventano delle trappole mortali... fortuna che abbiamo il mare a rendere più sopportabili i mesi fra maggio e ottobre!

Ogni estate milioni di Italiani e non si catapultano in spiaggia, alla ricerca di refrigerio, divertimento e della tintarella perfetta da sfoggiare una volta tornati a lavoro.

E ogni anno tutti, dal telegiornale, alla parrucchiera, alla signora Lucia del piano di sopra, ci ricordano l'importanza di proteggerci dai raggi solari, quelli che fanno venire il cancro, signora mia, e poi la notte non dormi perché ti sei bruciata!

Conviene sempre dare ascolto alla signora Lucia di turno, infatti è importantissimo proteggersi adeguatamente dai raggi solari, soprattutto in spiaggia dove si ha un'esposizione prolungata. Se è vero che il sole ha effetti senza dubbio benefici sul nostro organismo (catalizza la sintesi della Vitamina D) è anche importante fare attenzione, perché i raggi UV sono molto pericolosi.

Le creme solari sono perciò fondamentali.

I Raggi UV

La radiazione ultravioletta è definita, in fisica, come la porzione dello spettro elettromagnetico che va da circa 400 nm a circa 100 nm, appena prima della radiazione visibile all'occhio umano quindi (eppure vi sono animali, come ad esempio le api, che riescono a vedere l'ultravioletto!)

Secondo lo standard ISO (Organizzazione Internazionale per la Normazione) si possono distinguere diverse fasce all'interno dell'intervallo UV:

Le creme solari attualmente in commercio forniscono protezione dai raggi UVA e soprattutto dagli UVB, maggiormente pericolosi per la salute.

Fra 200 e 300 nm, infatti, viene a trovarsi il range di assorbimento di moltissime molecole biologiche, fra cui il DNA: questo vuol dire che quando la molecola in questione viene irradiata con raggi UVB, assorbe quei raggi e passa da uno stato "normale" a uno detto eccitato, cioè a un'energia superiore rispetto a quella in cui sarebbe stabile.

Lo stato di instabilità è un qualcosa che tutte le molecole tentano in ogni modo di evitare e uno dei metodi preferiti è quello di dar via quell'energia in eccesso, magari trasferendola a una molecola vicina, o dando luogo a reazioni chimiche.

Uno degli effetti maggiormente osservati nelle molecole di DNA è un processo chiamato di dimerizzazione: supponiamo di avere una molecola A, nel nostro caso una base purinica (uno dei tanti mattoncini che costituiscono il DNA), quando A viene esposta al sole si eccita, passando a uno stato che chiameremo A*, a questo punto essa troverà un'altra molecola A dando luogo a una reazione che ci darà come risultato una nuova molecola AA. 

Beh, se A era essenziale per il corretto funzionamento delle cellule, AA no, è una mutazione potenzialmente pericolosa e il nostro organismo cerca immediatamente di ripararla.

Purtroppo non sempre si riesce efficacemente a riparare il difetto, soprattutto quando iniziano a essercene un po' troppe di queste mutazioni, ed è così che la cellula mutata si moltiplica.

Questo, naturalmente, non è l'unico meccanismo che va a danneggiare le cellule della nostra pelle, ma è sicuramente uno dei principali responsabili di molti tumori.

Come proteggersi, quindi?

Le creme solari

Una crema solare contiene moltissime diverse sostanze chimiche che servono proprio a impedire che i raggi UV danneggino il DNA delle cellule della pelle. 

Possiamo distinguerle di die tipi:

• Filtri fisici
• Filtri chimici

I filtri fisici sono molecole molto semplici, ossidi di metallo come zinco o titanio, che fungono da vero e proprio specchio, riflettendo i raggi solari e impedendo, come farebbe una barriera, che essi raggiungano la pelle.

I filtri chimici, invece, sono molecole organiche più complesse, oxibenzone, fenilbenzilimidazolo, acido sulfonico, butil metoxidibenzoilmetano, etilexil metoxicinnamato. Queste molecole assorbono la radiazione solare, facendo in qualche modo da "esca" , e la restituiscono sotto forma di calore.

Il meccanismo con cui queste molecole agiscono non è ancora del tutto chiaro, ma sono stati fatti parecchi studi in particolare sull' oxibenzone.

 

Struttura dell'oxibenzone

L'oxibenzone è una molecola aromatica ed è proprio per questo motivo che può assorbire le radiazioni UV, infatti è probabilmente la più usata in tutti i filtri solari fin da sempre. 

Negli ultimi anni, però, sono state avanzate molte ipotesi sulla sua pericolosità: allergie e dermatiti, per la maggior parte, ma studi sono ancora in corso per accertarne l'effetto reale, soprattutto riguardo a un eventuale effetto estrogeno sull'organismo.

In Italia la presenza di oxibenzone nelle creme solari in commercio deve essere necessariamente segnalata, anche perché è ancora largamente usato. Finché non vi saranno risultati certi, perlomeno.

Nel frattempo la ricerca si muove anche per trovare valide alternative all'oxibenzone, soprattutto grazie a nuovi moderni studi sulle nanotecnologie, che ne potrebbero impedire l'assorbimento cutaneo, riducendo i rischi legati alla salute tenendone gli enormi vantaggi, una strada che potrebbe essere davvero promettente.

Che sia una crema con oxibenzone o senza, comunque, non dimenticate mai di proteggervi quando andate al mare, è importantissimo e vi permetterà di avere un'abbronzatura invidiabile e una pelle sana!

Articoli per approfondire:

Estrogenic activity and reproductive effects of the UV-filter oxybenzone

(2-hydroxy-4-methoxyphenyl-methanone) in fish

Michael Coronado, Hector De Haro, Xin Deng, Mary Ann Rempel,

Ramon Lavado, Daniel Schlenk∗

Environmental Toxicology Program, University of California, Riverside, Riverside, CA 92521, United States

Probing the Ultrafast Energy Dissipation Mechanism

of the Sunscreen Oxybenzone after UVA Irradiation

Lewis A Baker, Michael D Horbury, Simon Ed Greenough, Philip M Coulter, Tolga N.V. Karsili,

Gareth Michael Roberts, Andrew J. Orr-Ewing, Michael N.R. Ashfold, and Vasilios G. Stavros

J. Phys. Chem. Lett., Just Accepted Manuscript • Publication Date (Web): 26 Mar 2015

Oxybenzone Oxidation Following Solar Irradiation

o f Skin : Photoprotection versus Antioxidant Inactivation

Karin U. Schallre uter, *"j" John M. WoodJ Dennis W. Farwell, :j: J eremy Moore ,:j: and H owell G.M. Edwards:j:

*Depnrtlllent of Dermato logy. U ni ve rsity of Hamhurg, German y; and Departmcnts of j' 13iOlll cdi cal Sciences and :r.Che llli stry and

C hemical Techno logy. U nivers ity of ll rad fo rd. 13radfo rd , U.K.

Preparation and characterization of oxybenzone-loaded solid lipid nanoparticles (SLNs) with enhanced safety and sunscreening efficacy: SPF and UVA-PF

Rania A. Sanad1 , Nevine S. Abdel Malak2,*, Tahany S. El-Bayoomy1 , Alia A. Badawi

Department of Pharmaceutics, National Organization of Drug Control and Research (NODCAR), Cairo, Egypt; 

Department of Pharmaceutics, Faculty of Pharmacy Cairo University, Cairo, Egypt.

Il Carbonio, l'Idrogeno e la tavola periodica

Così avviene, dunque, che ogni elemento dica qualcosa a qualcuno (a ciascuno una cosa diversa), come le valli o le spiagge visitate in giovinezza: si deve forse fare un'eccezione per il carbonio, perché dice tutto a tutti.

[Primo Levi - Il Sistema Periodico]

Benvenuti, sia che voi siate scienziati, sia che siate semplici appassionati o, ancora più benvenuti voi che di scienza non sapete nulla: questo spazio è per voi.

Probabilmente vi starete chiedendo: perché il Carbonio?

Se la risposta vi sembra ovvia, beh, è possibile che anche voi, come me, siate dei chimici.

Il Carbonio sarà principio e arrivo di ogni cosa che tratterò, perché non c'è nulla di più importante del Carbonio nella vita di tutti noi.

Noi siamo Carbonio, infatti, e più precisamente lunghe catene di carbonio: gli acidi grassi che costituiscono la membrana cellulare, gli amminoacidi che formano le proteine, il DNA che definisce precisamente chi siamo e come siamo.

E Idrogeno, naturalmente, perché non c'è Carbonio senza Idrogeno.

Ma siamo anche Ossigeno, Ferro, Cobalto, Rame, Fosforo...

Insomma, di storie da raccontare ce ne sono tante con un numero potenzialmente infinito di elementi che conosciamo o che non sono stati ancora scoperti per arricchire la Tavola Periodica.

Chissà se Dmitrij Mendeleev, lo scienziato russo che per primo ebbe l'idea di ordinare gli elementi chimici secondo il loro numero atomico (cioè il loro numero di protoni), avrebbe mai immaginato un giorno di arrivare fino all'Oganessio, numero atomico 118, l'ultimo arrivato nel 2015.