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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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Come cucinare con il Sole

1 Giu

Nell’articolo sui detersivi ecologici:

Detersivi ecologici

abbiamo mostrato come l’inquinamento delle acque prodotto da ognuno di noi e’ tutt’altro che irrilevante. Come visto, esistono pero’ delle soluzioni facilmente percorribili e che possono dare un contributo non trascurabile alla salute dell’ambiente. Tra queste, sicuramente la produzione domestica di detersivi, di qualita’ e a basso costo, e’ senza dubbio la migliore.

Sempre rimanendo in questo filone ambientale-ecosostenibile, vorrei raccontarvi anche un’altra notizia che ha attirato la mia curiosita’. Come sappiamo bene, la vita sulla Terra e’ possibile grazie al Sole che, mediante i suoi raggi, crea un ambiente favorevole. Se ci pensiamo bene, la potenza termica trasmessa dalla nostra stella e che giunge fino a terra, viene sfruttata gia’ in molti modi, primo tra tutti i panelli solari, di cui abbiamo parlato qui:

Pannelli, pannelli e pannelli

Ora pero’, perche’ non utilizzare questa grande fonte di calore anche, ad esempio, per cucinare? In fondo, quando cuociamo i nostri cibi, molte volte, non facciamo altro che tenerli ad alta temperatura per un certo lasso di tempo.

In realta’, quello che vi ho mostrato non e’ solo un pensiero, ma una realta’ gia’ consolidata per molte persone.

Come e’ possibile cuocere con il Sole?

La potenza termica che arriva dalla nostra stella e’ abbastanza elevata e composta non solo dalla radiazione visibile ma con uno spettro ampio. Ora pero’, per poter cuocere i cibi e’ necessario andare ad una temperatura abbastanza alta e il sole da solo non basta. Se cosi’ non fosse, nessuno di noi potrebbe mai esporsi ai raggi solari perche’ verrebbe “cotto”.

Qual e’ la soluzione?

Cosi’ come avviene con i pannelli a concentrazione, di cui abbiamo parlato nell’articolo precedente, e’ sufficiente convogliare i raggi solari in un punto per integrare una potenza maggiore. Questo e’ esattamente quello che fanno i “forni solari”. Questi dispositivi altro non sono che una parabola di materiale riflettente, spesso costituita da fogli di alluminio, che spingono i raggi in un’area molto ristretta in cui viene posizionato il cibo da cuocere.

Ecco la foto di uno di questi forni:

Forno solare per convogliare i raggi solari e cuocere il cibo

Forno solare per convogliare i raggi solari e cuocere il cibo

In alternativa a queste forme, potete realizzare con estrema facilita’ un Kyoto Box, realizzata partendo sempliceente da una scatola di cartone o di legno. In questo caso, il cibo viene posizionato all’interno della scatola in cui i raggi solari vengono concentrati sempre mediante materiale riflettente:

Forni solari del tipo Kyoto Box. Fonte: architetturasostenibile

Forni solari del tipo Kyoto Box. Fonte: architetturasostenibile

Mentre nel primo caso, il cibo viene cotto direttamente dall’aumento di temperatura, nelle Kyoto Box, come vedete dall’immagine, il cibo e’ chiuso all’interno della scatola e viene cotto sfruttando l’effetto serra generato dai raggi solari.

Scelto un modello o l’altro, come vedete questi forni possono essere facilmente realizzabili da chiunque. Il mio consiglio e’ di utilizzare strutture, ad esempio, in legno, foderate da fogli di alluminio per alimenti. Per controllare il potere focheggiante del forno, basta vedere quanto e’ esteso il raggio luminoso sul fondo del forno. Ovviamente, piu’ e’ stretto il raggio, maggiore sara’ la temperatura raggiunta dal forno perche’ maggiore e’ la concentrazione solare.

Piu’ che di temperatura e’ interessante parlare di cosa si puo’ cuocere com questi forni e quanto tempo ci vuole.

In linea di principio sono poche le cose che non e’ possibile cuocere con questi forni. Nel caso favorevole di una giornata soleggiata, i tempi di cottura con questi sistemi sono paragonabili a quelli di un forno tradizionale. Proprio pensando al confronto, questi sistemi solari possono raggiungere senza problemi temperature anche di 220 gradi, ideali per cuocere praticamente tutto.

Sulla rete, come non potrebbe essere cosi’, anche per la cottura solare e’ nata una vera e propria comunita’ di appassionati. Proprio perche’ si parla di cucina, sono gia’ stati designati i cosiddetti chef solari, esperti di questa tipologia di cottura. Oltre ai tempi e ai consigli per preparare il cibo meglio compatibile con questa cottura, sulla rete trovate anche molte informazioni per costruire il vostro forno solare con una spesa irrisoria e con un’efficienza molto interessante.

Lasciatemi concludere con una riflessione. Prima abbiamo parlato di detersivi fatti in casa, ora di cuocere il cibo sfruttando il Sole. Forse la crisi economica sta facendo rinascere uno spirito di iniziativa che, per troppo tempo, era rimasto sopito. Visti i vantaggi che ne derivano, sia economici che sociali, dal momento che le persone scambiano idee e ricette, forse non tutti i mali vengono per nuocere. Intanto l’ambiente ringrazia!

 

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