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Un vetro spesso solo due atomi

18 Set

Come sappiamo bene, la storia della ricerca e della scienza in generale e’ piena di scoperte avvenute in modo del tutto casuale. Spesso, queste scoperte si rivelano di fondamentale imporanza per l’uomo e quello che contribuisce ancora di piu’ alla notorieta’ della scoperta e’ la non intenzione di base di arrivare a questi risultati.

Perche’ avviene questo?

Non potendo dare una risposta provata, mi limitero’ ad esporre un mio personale pensiero. In questo caso, a mio avviso, quello che rende cosi’ affascinanti queste scoperte per i non addetti ai lavori e’ proprio la casualita’ della scoperta. Questi meccanismi rendono la ricerca scientifica piu’ umana e vicina alle persone comuni. Pensare ad uno sbadato scienziato che lascia i suoi campioni fuori posto o senza pulirli e poi, tornando il giorno dopo, trova la scoperta che lo rendera’ famoso, e’ qualcosa che avvicina molto i ricercatori alle persone comuni, tutte con le loro distrazioni, pensieri e cose piu’ “terrene” da fare.

Se ci pensiamo, la stessa cosa e’ avvenuta per Flemming con la scoperta della penicillina. Come sicuramente sapete, anche in questo caso, la scoperta fu del tutto fortuita. Lo scienziato lascio’ alcuni batteri su cui stava lavorando in una capsula di cultura e parti’ per una vacanza. Al suo ritorno si accorse che all’interno della capsula vi era una zona in cui i batteri non erano cresciuti ed in cui era presente una muffa. Proprio da questa muffa si arrivo’ poi, anche se in diversi passi nel corso del tempo e perfezionando i metodi di produzione, alla penicillina, quell’importante salvavita che tutti conosciamo. Se vogliamo, la bravura del ricercatore e’ nell’interpretare e nell’accorgersi di avere tra le mani qualcosa di importante e non un risultato sbagliato o della sporcizia lasciata per caso.

Perche’ ho fatto questo cappello introduttivo?

Come potete immaginare, vi voglio parlare di una scoperta fortuita, forse meno “vitale” della penicillina, ma sicuramente molto affascinante e con importanti risvolti per il futuro. Si tratta, come forse avrete letto su molti giornali, della produzione del vetro piu’ sottile al mondo, appena due atomi.

Andiamo con ordine, parlando proprio di come ‘e stata fatta questa scoperta.

Un team di scienziati stava lavorando alla produzione di fogli di grafene, una struttura atomica composta di carbonio, spessa appena un atomo, ma con importanti prorieta’ sia chimiche che meccaniche. La produzione di questo grafene era fatta utilizzando ovviamente atomi di carbonio ma anche fogli di quarzo utilizzati per la deposizione.

Osservazione al microscopio della zona impura del grafene

Osservazione al microscopio della zona impura del grafene

Osservando al microscopio uno di questi fogli, gli scienziati si sono accorti che in una piccola parte era presente una regione di colorazione diversa rispetto al resto. Proprio mediante l’osservazione al microscopio e’ stato possibile determinare che si trattava di una struttura diversa da quella del grafene e composta di Silicio e Ossigeno. Questa non era una struttura casuale, ma gli atomi erano disposti in modo ordinato e formavano un foglio spesso appena due atomi.

Caratterizzando la struttura del foglio, gli scienziati si sono accorti che quello che stavano osservando era un vetro. non un vetro qualsiasi, ma il piu’ sottile vetro mai realizzato.

Dov’e’ la casualita’ della scoperta?

Ovviamente, nel laboratorio si stava producendo grafene che, come detto, e’ composto da atomi di carbonio. Da dove sono usciti Silicio e Ossigeno per il vetro? La risposta e’ quantomai banale ma affascinante. Secondo i ricercatori, una fuga d’aria all’interno della camera di produzione ha causato l’ingresso dell’ossigino e la conseguente reazione con il rame e con il quarzo contenuto all’interno per la produzione di grafene. Risultato, in una piccola zona del grafene si e’ formato un sottilissimo strato di vetro comune.

Come anticipato, parliamo di una scoperta affascinante ma che sicuramente non puo’ combattere con quella della penicillina. Perche’ pero’ e’ importante dal punto di vista scientifico?

Per prima cosa, il fatto che si tratti del piu’ sottile vetro mai realizzato e’ stato certificato inserendo questa scoperta nel libro dei Guiness dei Primati.

Oltre a questo, tornando invece a parlare di scienza, la struttura del vetro non e’ molto facile da capire. Come sapete, questo puo’ allo stesso tempo essere considerato sia un liquido che un solido. Detto questo, se si osserva un vetro al microscopio, non si riesce a distinguere bene la sua struttura atomica. Nella struttura amorfa della sostanza, si evidenziano sottoinsiemi disordinati di atomi, senza poter descrivere in dettaglio il posizionamento ed i legami che intercorrono tra di essi.

Nel caso dl vetro di cui stiamo parlando invece, proprio lo spessore cosi’ ridotto consente di poter distinguere chiaramente la posizione dei diversi atomi e quindi di avere una mappa delle posizioni di Ossigeno e Silicio. Come potete immaginare, dal punto di vista scientifico questa evidenza e’ di fondamentale importanza per poter classificare e comprendere a fondo i materiali amorfi a cui anche il vetro appartiene.

Oltre a questo, sempre gli scienziati coinvolti nella ricerca si sono accorti che la struttura ottenuta era molto simile a quella ipotizzata ben 80 anni prima, nel 1932, dal fisico norvegese Zachariasen. Costui dedico’ gran parte della sua carriera allo studio dei vetri e proprio nel 1932 pubblico’ l’articolo “The atomic Arrangement in Glass”. In questo articolo Zachariasen inseri’ alcuni suoi schemi relativi al posizionamento degli atomi all’interno del vetro. Come potete immaginre, si trattava di disegni ottenuti da considerazioni scientifiche personali. Bene, a distanza di oltre 80 anni, e’ stato possibile osservare direttamente la struttura del vetro e confermare le supposizoni fatte da Zachariasen.

Se vogliamo, fino a questo punto abbiamo mostrato il fascino della scoperta. La prossima domanda che potrebbe invece venire in mente e’: cosa ci facciamo con questo vetro?

Dal punto di vista applicativo, questa scoperta potrebbe avere negli anni a venire importanti ripercussioni su diversi campi. Per prima cosa, un vetro cosi’ sottile e’ praticamente privo di impurezze. Questo lo rende particolarmente appetibile per applicazioni di precisione su scala micrometrica, dove una minima variazione della struttura potrebbe comportare errori sistematici non prevedibili.

Inoltre, strutture come questa ottenuta, sono importantissime per la realizzazione di sistemi elettronici miniaturizzati. Anche qui, la purezza e’ uno dei requisiti fondamentali richiesti. Oltre a questa, un vetro cosi’ sottile puo’ essere pensato per applicazioni di microtrasmissione dei segnali, fondamentali, ad esempio, nei transistor.

Grazie a questa scoperta, possiamo dunque pensare di avere un metodo di produzione per spessori infinitesimali. I risultati di questa produzione potrebbero essere utilizzati per aprire la strada ad una miniaturtizzazione ancora piu’ spinta dei dispositivi elettroni che trovano largo uso in tantissimi “gadget” tecnologici che ci portiamo dietro.

Concludendo, la scoperta del vetro piu’ sottile al mondo e’ avvenuta quasi per caso. Dico “quasi” perche’ ovviamente stiamo parlando di scienziati seri e che erano impegnati su lavori molto importanti e di chiara importanza. Durante questi studi, si e’ evideniata la formazione fortuita di una zona vetrosa composta da ossigeno e silicio. Come visto nell’articolo, questa scoperta potrebbe avere importanti ripercussioni su tantissimi settori diversi che vanno dalla microelettronica, alla tramissione dei segnali, fino anche, perche’ no, ad applicazioni di fisica delle alte energie per lo studio e la realizzazione di rivelatori sempre piu’ innovativi.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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Nuovo materiale

26 Lug

Ogni tanto e’ interessante parlare di materiali del futuro, prima di tutto per capire dove la ricerca ci sta portando e quali futuri benefici si potranno avere sintetizzando nuove sostanze. Gia’ in passato, avevamo parlato di questi argomenti:

Uno sguardo ai materiali del futuro

Allo stesso modo, uno degli aspetti che da sempre solletica l’interesse delle persone verso la ricerca e’ l’assoluta casualita’ di alcune scoperte. Pensare a grandi rivoluzioni scoperte per caso, senza volerlo, e’ un aspetto attraente della ricerca.

In questo articolo, vorrei unire questi due aspetti, parlando della scoperta di un nuovo minerale, la Upsalite.

Cosa sarebbe?

Si tratta di un materiale sintetizzato da alcuni ricercatori dell’Universita’ di Uppsala in Svezia, dotato di una struttura amorfa e composto da un carbonato di magnesio.

Perche’ si parla di scoperta casuale?

Immagini al microscopio elettronico SEM e TEM della Upsalite

Immagini al microscopio elettronico SEM e TEM della Upsalite

Fino a poco tempo fa, si pensava che i carbonati di magnesio non potessero essere prodotti con processi a bassa temperatura, questo unito alla notevole difficolta’ di sintetizzazione di strutture amorfe disidratate, cioe’ nelle quali le molecole di acqua sono state strappate dalla struttura.

Nell’Universita’ di Uppsala, esiste un gruppo di ricerca che si occupa di questi aspetti. Un venerdi pomeriggio, dopo aver modificato i parametri di sintesi dei precedenti tentativi, tutti andati male, i ricercatori hanno lasciato il laboratorio dimenticando il materiale nella cella di reazione. Al loro ritorno il lunedi mattina, si sono trovati un materiale rigido, di nuova sintesi, appunto la Upsalite.

Anche se alcuni giornali hanno parlato solo oggi di questa scoperta, la storia raccontata risale al 2011. Solo in questi giorni pero’, dopo due anni di prove e analisi per perfezionare ia procedura, i ricercatori hanno pubblicato un articolo specifico sul nuovo  materiale. Ecco il sito dove potete leggere l’articolo:

Upsalite

Cosa ha di tanto importante la Upsalite?

Come e’ facile pensare, oltre all’aspetto puramente chimico-fisico della realizzazione di un materiale di questo tipo, l’importanza di una scoperta del genere si valuta in base alle possibili applicazioni del nuovo materiale. La Upsalite ha moltissime applicazioni nei campi piu’ diversi.

Dal punto di vista fisico, e’ formata da una struttura amorfa nanometrica, che gli consente di stabilire un nuovo record per la superficie utile al cm^2. Mi spiego meglio, in molti processi, quella che conta e’ la superficie di contatto tra i materiali. Avere una grande superficie di contatto, consente di poter velocizzare i fenomeni per cui il materiale e’ concepito. Bene, la Upsalite ha una superficie utile di ben 800 m^2 per grammo . Inoltre, il materiale appare poroso con notevoli interstizi vuoti e dal diametro dell’ordine dei 10 nanometri.

Come anticipato, queste caratteristiche rendono la Upsalite utilizzabile in moltissimi campi.

Prima di tutto, la struttura stessa rende il materiale in grado di assorbire notevoli quantita’ di acqua, dunque di ridurre velocemente l’umidita’ con un campione relativamente piccolo. In questo caso, si parla soprattutto di applicazioni industriali nella produzione di deumidificatori, ma anche nella realizzazione di apparecchiature da laboratorio.

Inoltre, la capacita’ di assorbire acqua potrebbe essere sfruttata in tutte quelle applicazioni in cui questa sostanza puo’ arrecare danni. Pensate, ad esempio, ai dispositivi elettronici, alla conservazione dei cibi e dei farmaci, ai magazzini in generale, ecc. Applicazioni oggi riservate, tra le altre cose, ai sacchettini di deumidificante di silica.

Sfruttando invece la struttura porosa, si potrebbe pensare di utilizzare la Upsalite per assorbire inquinanti o sostanze diffuse nell’ambiente. A livello domestico, la Upsalite potrebbe essere sfruttata per eliminare i cattivi odori, applicazione possibile e richiesta anche a livello industriale. Parlando di “odori” non possiamo certo prescindere da inquinanti dispersi in aria. Realizzando attraverso questo materiale filtri appositamente studiati, questa soluzione potrebbe essere sfruttata anche a livello di acque, sia marine che reflue, sfruttando appunto le caratteristiche della Upsalite.

Dal punto di vista ambientale, l’applicazione piu’ importante, potrebbe essere proprio quella per la rimozione di inquinanti in mare. Pensate, ad esempio, ad un carico di petrolio disperso in acqua e catturato spargendo Upsalite sulla superficie.

Essendo stata scoperta in Svezia, nell’articolo stesso non poteva mancare una possibile applicazione per sfruttare la Upsalite eliminando l’acqua, o meglio l’umidita’, dai campi da Hockey.

Concludendo, a volte, scoperte interessanti arrivano in modo del tutto fortuito e non premeditato. Questo e’ il caso della scoperta della Upsalite, un materiale di nuova sintesi che presenta una struttura nanoporosa e la piu’ grande superficie al grammo mai osservata. Queste caratteristische rendono la Upsalite sfruttabile in molti settori e con risvolti davvero notevoli nella vita di tutti i giorni.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.