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17 equazioni che hanno cambiato il mondo

26 Ago

Nel 2013 Ian Stewart, professore emerito di matematica presso l’università di Warwick, ha pubblicato un libro molto interessante e che consiglio a tutti di leggere, almeno per chi non ha problemi con l’inglese. Come da titolo di questo articolo, il libro si intitola “Alla ricerca dello sconosciuto: 17 equazioni che hanno cambiato il mondo”.

Perchè ho deciso di dedicare un articolo a questo libro?

In realtà, il mio articolo, anche se, ripeto, è un testo che consiglio, non vuole essere una vetrina pubblicitaria a questo testo, ma l’inizio di una riflessione molto importante. Queste famose 17 equazioni che, secondo l’autore, hanno contribuito a cambiare il mondo che oggi conosciamo, rappresentano un ottimo punto di inizio per discutere su alcune importanti relazioni scritte recentemente o, anche, molti secoli fa.

Come spesso ripetiamo, il ruolo della fisica è quello di descrivere il mondo, o meglio la natura, che ci circonda. Quando i fisici fanno questo, riescono a comprendere perchè avviene un determinato fenomeno e sono altresì in grado di “predirre” come un determinato sistema evolverà nel tempo. Come è possibile questo? Come è noto, la natura ci parla attraverso il linguaggio della matematica. Modellizare un sistema significa trovare una o più equazioni che  prendono in considerazione i parametri del sistema e trovano una relazione tra questi fattori per determinare, appunto, l’evoluzione temporale del sistema stesso.

Ora, credo che sia utile partire da queste 17 equzioni proprio per riflettere su alcuni importanti risultati di cui, purtroppo, molti ignorano anche l’esistenza. D’altro canto, come vedremo, ci sono altre equazioni estremanete importanti, se non altro per le loro conseguenze, che vengono studiate a scuola senza però comprendere la potenza o le implicazioni che tali risultati hanno sulla natura.

Senza ulteriori inutili giri di parole, vi presento le 17 equazioni, ripeto secondo Stewart, che hanno cambiato il mondo:

Le 17 equazioni che hanno cambiato il mondo secondo Ian Stewart

Le 17 equazioni che hanno cambiato il mondo secondo Ian Stewart

Sicuramente, ognuno di noi, in base alla propria preparazione, ne avrà riconosciute alcune.

Passiamo attraverso questa lista per descrivere, anche solo brevemente, il significato e le implicazioni di questi importanti risultati.

Teorema di Pitagora

Tutti a scuola abbiamo appreso questa nozione: la somma dell’area dei quadrati costruiti sui cateti, è pari all’area del quadrato costruito sull’ipotenusa. Definizione semplicissima, il più delle volte insegnata come semplice regoletta da tenere a mente per risolvere esercizi. Questo risultato è invece estremamente importante e rappresenta uno dei maggiori assunti della geometria Euclidea, cioè quella che tutti conoscono e che è relativa al piano. Oltre alla tantissime implicazioni nello spazio piano, la validità del teorema di Pitagora rappresenta una prova indiscutibile della differenza tra spazi euclidei e non. Per fare un esempio, questo risultato non è più vero su uno spazio curvo. Analogamente, proprio sfruttando il teorema di Pitagora, si possono fare misurazioni sul nostro universo, parlando proprio di spazio euclideo o meno.

 

Logaritmo del prodotto

Anche qui, come riminescenza scolastica, tutti abbiamo studiato i logaritmi. Diciamoci la verità, per molti questo rappresentava un argomento abbastanza ostico e anche molto noioso. La proprietà inserita in questa tabella però non è affatto banale e ha avuto delle importanti applicazioni prima dello sviluppo del calcolo informatizzato. Perchè? Prima dei moderni calcolatori, la trasformazione tra logaritmo del prodotto e somma dei logaritmi, ha consentito, soprattutto in astronomia, di calcolare il prodotto tra numeri molto grandi ricorrendo a più semplici espedienti di calcolo. Senza questa proprietà, molti risultati che ancora oggi rappresentano basi scientifiche sarebbero arrivati con notevole ritardo.

 

Limite del rapporto incrementale

Matematicamente, la derivata di una funzione rappresenta il limite del rapporto incrementale. Interessante! Cosa ci facciamo? La derivata di una funzione rispetto a qualcosa, ci da un’indicazione di quanto quella funzione cambi rispetto a quel qualcosa. Un esempio pratico è la velocità, che altro non è che la derivata dello spazio rispetto al tempo. Tanto più velocemente cambia la nostra posizione, tanto maggiore sarà la nostra velocità. Questo è solo un semplice esempio ma l’operazione di derivata è uno dei pilastri del linguaggio matematico utilizzato dalla natura, appunto mai statica.

 

Legge di Gravitazione Universale

Quante volte su questo blog abbiamo citato questa legge. Come visto, questa importante relazione formulata da Newton ci dice che la forza agente tra due masse è direttamente proporzionale al prodotto delle masse stesse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. A cosa serve? Tutti i corpi del nostro universo si attraggono reciprocamente secondo questa legge. Se il nostro Sistema Solare si muove come lo vediamo noi, è proprio per il risultato delle mutue forze agenti sui corpi, tra le quali quella del Sole è la componente dominante. Senza ombra di dubbio, questo è uno dei capisaldi della fisica.

 

Radice quadrata di -1

Questo è uno di quei concetti che a scuola veniva solo accennato ma che poi, andando avanti negli studi, apriva un mondo del tutto nuovo. Dapprima, siamo stati abituati a pensare ai numeri naturali, agli interi, poi alle frazioni infine ai numeri irrazionali. A volte però comparivano nei nostri esercizi le radici quadrate di numeri negativi e semplicemente il tutto si concludeva con una soluzione che “non esiste nei reali”. Dove esiste allora? Quei numeri non esistono nei reali perchè vivono nei “complessi”, cioè in quei numeri che arrivano, appunto, da radici con indice pari di numeri negativi. Lo studio dei numeri complessi rappresenta un importante aspetto di diversi settori della conoscenza: la matematica, l’informatica, la fisica teorica e, soprattutto, nella scienza delle telecomunicazioni.

 

Formula di Eulero per i poliedri

Questa relazione determina una correlazione tra facce, spigoli e vertici di un poliedro cioè, in parole semplici, della versione in uno spazio tridimensionale dei poligoni. Questa apparentemente semplice relazione, ha rappresentato la base per lo sviluppo della “topologia” e degli invarianti topologici, concetti fondamentali nello studio della fisica moderna.

 

Distribuzione normale

Il ruolo della distribuzione normale, o gaussiana, è indiscutibile nello sviluppo e per la comprensione dell’intera statistica. Questo genere di curva ha la classica forma a campana centrata intorno al valore di maggior aspettazione e la cui larghezza fornisce ulteriori informazioni sul campione che stiamo analizzando. Nell’analisi statistica di qualsiasi fenomeno in cui il campione raccolto sia statisticamente significativo e indipendente, la distribuzione normale ci fornisce dati oggettivi per comprendere tutti i vari trend. Le applicazioni di questo concetto sono praticametne infinite e pari a tutte quelle situazioni in cui si chiama in causa la statistica per descrivere un qualsiasi fenomeno.

 

Equazione delle Onde

Questa è un’equazione differenziale che descrive l’andamento nel tempo e nello spazio di un qualsiasi sistema vibrante o, più in generale, di un’onda. Questa equazione può essere utilizzata per descrivere tantissimi fenomeni fisici, tra cui anche la stessa luce. Storicamente poi, vista la sua importanza, gli studi condotti per la risoluzione di questa equazione differenziale hanno rappresentato un ottimo punto di partenza che ha permesso la risoluzione di tante altre equazioni differenziali.

 

Trasformata di Fourier

Se nell’equazione precedente abbiamo parlato di qualcosa in grado di descrivere le variazioni spazio-temporali di un’onda, con la trasformata di Fourier entriamo invece nel vivo dell’analisi di un’onda stessa. Molte volte, queste onde sono prodotte dalla sovrapposizione di tantissime componenti che si sommano a loro modo dando poi un risultato finale che noi percepiamo. Bene, la trasformata di Fourier consente proprio di scomporre, passatemi il termine, un fenomeno fisico ondulatorio, come ad esempio la nostra voce, in tante componenti essenziali più semplici. La trasformata di Fourier è alla base della moderna teoria dei segnali e della compressione dei dati nei moderni cacolatori.

 

Equazioni di Navier-Stokes

Prendiamo un caso molto semplice: accendiamo una sigaretta, lo so, fumare fa male, ma qui lo facciamo per scienza. Vedete il fumo che esce e che lentamente sale verso l’alto. Come è noto, il fumo segue un percorso molto particolare dovuto ad una dinamica estremamente complessa prodotta dalla sovrapposizione di un numero quasi infinito di collissioni tra molecole. Bene, le equazioni differenziali di Navier-Stokes descrivono l’evoluzione nel tempo di un sistema fluidodinamico. Provate solo a pensare a quanti sistemi fisici includono il moto di un fluido. Bene, ad oggi abbiamo solo delle soluzioni approssimate delle equazioni di Navier-Stokes che ci consentono di simulare con una precisione più o meno accettabile, in base al caso specifico, l’evoluzione nel tempo. Approssimazioni ovviamente fondamentali per descrivere un sistema fluidodinamico attraverso simulazioni al calcolatore. Piccolo inciso, c’è un premio di 1 milione di dollari per chi riuscisse a risolvere esattamente le equazioni di Navier-Stokes.

 

Equazioni di Maxwell

Anche di queste abbiamo più volte parlato in diversi articoli. Come noto, le equazioni di Maxwell racchiudono al loro interno i più importanti risultati dell’elettromagnetismo. Queste quattro equazioni desrivono infatti completamente le fondamentali proprietà del campo elettrico e magnetico. Inoltre, come nel caso di campi variabili nel tempo, è proprio da queste equazioni che si evince l’esistenza di un campo elettromagnetico e della fondamentale relazione tra questi concetti. Molte volte, alcuni soggetti dimenticano di studiare queste equazioni e sparano cavolate enormi su campi elettrici e magnetici parlando di energia infinita e proprietà che fanno rabbrividire.

 

La seconda legge della Termodinamica

La versione riportata su questa tabella è, anche a mio avviso, la più affascinante in assoluto. In soldoni, la legge dice che in un sistema termodinamico chiuso, l’entropia può solo aumentare o rimanere costante. Spesso, questo che è noto come “principio di aumento dell’entropia dell’universo”, è soggetto a speculazioni filosofiche relative al concetto di caos. Niente di più sbagliato. L’entropia è una funzione di stato fondamentale nella termodinamica e il suo aumento nei sistemi chiusi impone, senza mezzi termini, un verso allo scorrere del tempo. Capite bene quali e quante implicazioni questa legge ha avuto non solo nella termodinamica ma nella fisica in generale, tra cui anche nella teoria della Relatività Generale di Einstein.

 

Relatività

Quella riportata nella tabella, se vogliamo, è solo la punta di un iceberg scientifico rappresentato dalla teoria della Relatività, sia speciale che generale. La relazione E=mc^2 è nota a tutti ed, in particolare, mette in relazione due parametri fisici che, in linea di principio, potrebbero essere del tutto indipendenti tra loro: massa ed energia. Su questa legge si fonda la moderna fisica degli acceleratori. In questi sistemi, di cui abbiamo parlato diverse volte, quello che facciamo è proprio far scontrare ad energie sempre più alte le particelle per produrne di nuove e sconosciute. Esempio classico e sui cui trovate diversi articoli sul blog è appunto quello del Bosone di Higgs.

 

Equazione di Schrodinger

Senza mezzi termini, questa equazione rappresenta il maggior risultato della meccanica quantistica. Se la relatività di Einstein ci spiega come il nostro universo funziona su larga scala, questa equazione ci illustra invece quanto avviene a distanze molto molto piccole, in cui la meccanica quantistica diviene la teoria dominante. In particolare, tutta la nostra moderna scienza su atomi e particelle subatomiche si fonda su questa equazione e su quella che viene definita funzione d’onda. E nella vita di tutti i giorni? Su questa equazione si fondano, e funzionano, importanti applicazioni come i laser, i semiconduttori, la fisica nucleare e, in un futuro prossimo, quello che indichiamo come computer quantistico.

 

Teorema di Shannon o dell’informazione

Per fare un paragone, il teorema di Shannon sta ai segnali così come l’entropia è alla termodinamica. Se quest’ultima rappresenta, come visto, la capicità di un sistema di fornire lavoro, il teorema di Shannon ci dice quanta informazione è contenuta in un determinato segnale. Per una migliore comprensione del concetto, conviene utilizzare un esempio. Come noto, ci sono programmi in grado di comprimere i file del nostro pc, immaginiamo una immagine jpeg. Bene, se prima questa occupava X Kb, perchè ora ne occupa meno e io la vedo sempre uguale? Semplice, grazie a questo risultato, siamo in grado di sapere quanto possiamo comprimere un qualsiasi segnale senza perdere informazione. Anche per il teorema di Shannon, le applicazioni sono tantissime e vanno dall’informatica alla trasmissione dei segnali. Si tratta di un risultato che ha dato una spinta inimmaginabile ai moderni sistemi di comunicazione appunto per snellire i segnali senza perdere informazione.

 

Teoria del Caos o Mappa di May

Questo risultato descrive l’evoluzione temporale di un qualsiasi sistema nel tempo. Come vedete, questa evoluzione tra gli stati dipende da K. Bene, ci spossono essere degli stati di partenza che mplicano un’evoluzione ordinata per passi certi e altri, anche molto prossimi agli altri, per cui il sistema si evolve in modo del tutto caotico. A cosa serve? Pensate ad un sistema caotico in cui una minima variazione di un parametro può completamente modificare l’evoluzione nel tempo dell’intero sistema. Un esempio? Il meteo! Noto a tutti è il cosiddetto effetto farfalla: basta modificare di una quantità infinitesima un parametro per avere un’evoluzione completamente diversa. Bene, questi sistemi sono appunto descritti da questo risultato.

 

Equazione di Black-Scholes

Altra equazione differenziale, proprio ad indicarci di come tantissimi fenomeni naturali e non possono essere descritti. A cosa serve questa equazione? A differenza degli altri risultati, qui entriamo in un campo diverso e più orientato all’uomo. L’equazione di Black-Scholes serve a determinare il prezzo delle opzioni in borsa partendo dalla valutazione di parametri oggettivi. Si tratta di uno strumento molto potente e che, come avrete capito, determina fortemente l’andamento dei prezzi in borsa e dunque, in ultima analisi, dell’economia.

 

Bene, queste sono le 17 equazioni che secondo Stewart hanno cambiato il mondo. Ora, ognuno di noi, me compreso, può averne altre che avrebbe voluto in questa lista e che reputa di fondamentale importanza. Sicuramente questo è vero sempre ma, lasciatemi dire, questa lista ci ha permesso di passare attraverso alcuni dei più importanti risultati storici che, a loro volta, hanno spinto la conoscenza in diversi settori. Inoltre, come visto, questo articolo ci ha permesso di rivalutare alcuni concetti che troppo spesso vengono fatti passare come semplici regolette non mostrando la loro vera potenza e le implicazioni che hanno nella vita di tutti i giorni e per l’evoluzione stessa della scienza.

 

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

Cosa posso vedere con il mio telescopio?

10 Feb

Diverse volte sono stato contattato da persone che vorrebbero affacciarsi al mondo dell’astronomia. Molti hanno una passione del genere e un desiderio innato di poter osservare il cielo ingrandendo via via dettagli sempre piu’ piccoli. Inutile dire quanti di noi restano a bocca aperta guardando una foto spaziale scattata in giro per il cosmo e desiderano a loro volta osservare con i loro occhi la bellezza della natura.

Ora pero’, queste passioni spesso si scontrano un po’ con il problema economico ma, soprattutto, con la grande confusione che la scelta di un telescopio “domestico” puo’ portare. Siete mai entrati in un negozio dove si vendono telescopi? Avete visto quante tipologie di strumenti ci sono? Molto spesso, le persone restano spaventate da una tale scelta e non sanno cosa prendere.

Per superare questo blocco, dovete prima di tutto capire “cosa volete guardare”!

Ovviamente, si potrebbe fare il pensiero facile e dire quello che costa di piu’ e’ il piu’ “potente” o quello piu’ grande e’ sicuramente migliore. Purtroppo, non sempre e’ cosi’.

Visto che molte persone mi hanno contattato per chiedermi cosa distingue un telescopio da un altro, ho deciso di scrivere un breve articolo per spiegare non le diverse tipologie di telescopio, bensi’ la cosiddetta “risoluzione angolare” di questi strumenti.

Immaginiamo di avere un telescopio con lenti circolari. Quello che vogliamo capire e’ “qual e’ la minima distanza che posso osservare?”. Per rispondere dobbiamo introdurre la cosiddetta “risoluzione angolare”, cioe’ la minima distanza angolare tra due oggetti che possono essere distinti con il vostro telescopio:

R=1,22 L/D

Quando siete di fronte a sistemi ottici, quella che comanda e’ la diffrazione che, senza entrare in troppi tecnicismi, fa si che sotto un certo valore, due oggetti vengano confusi come uno solo perche’ assolutamnete indistinguibili tra loro. Nella formula della risoluzione angolare, compare ovviamente il diametro della lente, D, e la lunghezza d’onda, L, che dobbiamo osservare.

Detto tra noi, questa formula e’ poco manegevole per cui possiamo prima di tutto dimenticarci della dipendenza dalla lunghezza d’onda e prendere un valore medio per lo spettro visibile che, in fondo, e’ quello che vogliamo osservare. Inoltre, la risoluzione angolare che abbiamo introdotto e’ misurata in radianti, unita’ abbastanza scomoda in questo contesto. Per semplicita’, possiamo utilizzare una misura in arcosecondi dove 3600 arcsec equivalgono ad un grado. Facendo queste considerazioni, possiamo riscrivere la formula come:

R = 11.6 / D

Supponiamo dunque di acquistare un bel telescopio con lente da 30 cm, la nostra risoluzione angolare sara’:

R = 11.6/30 = 0,39 arcsec

Se ora con questo oggetto volessi guardare la luna, quale sarebbe la minima distanza che riuscirei a distinguere?

Per rispondere a questa domanda, e’ necessario introdurre un’ulteriore formula. Come potete immaginare, in questo caso dobbiamo convertire, in base alla distanza, l’apertura angolare con una distanza in metri. Tralasciando dipendenze di questa formula da parametri di poco interesse per il nostro caso, possiamo scrivere la distanza distinguibile come:

Dm = (R/206265) x Dl

Dove Dm e’ ovviamente la distanza minima osservabile e Dl e’, nel nostro caso, la distanza Terra-Luna. Supponendo una distanza media di 400000 Km, da portare in metri per inserirla nella formula, abbiamo, riprendendo la risoluzione del telescopio da 30 cm dell’esempio:

Dm = (0.39/206265) x 400000000 = 750 metri

Cioe’ la minima distanza che possiamo percepire e’ di 750 metri. Detto in altre parole, riuscite a distinguere dettagli separati tra loro da una distanza di almeno 750 metri. Anche se questo numero puo’ sembrare enorme vi permette di poter osservare dettagli impressonanti della Luna. Vi ricordo che un telescopio da 30 cm, e’ un bellissimo strumento che necessita di attenzioni particolari. Non abbiamo preso uno strumento completamente amatoriale o entry level per questo calcolo esemplificativo.

Altro aspetto interessante che spesso viene citato dai complottisti: se siamo veramente stati sulla Luna, perche’, ad esempio, il telescopio Hubble non e’ in grado di osservare il punto di atterraggio con tutta le cose lasciate dall’equipaggio? La domanda e’ di principio ben posta, pensate che addirittura il modulo di discesa e’ rimasto sul punto perche’ impossibile da riportare indietro.

Cerchiamo di analizzare, sulla base dei calcoli gia’ fatti, se fosse possibile osservare questo modulo sfruttando la lente di Hubble. In questo caso, abbiamo una lente di 2.4 metri che vuole osservare la superficie lunare. Quale sarebbe la minima distanza che potrebbe essere osservata?

Ripetendo il calcolo trovate una minima distanza di circa 100 metri. Considerando che il modulo di discesa ha un diametro intorno ai 10 metri, capite bene come sia impossibile distinguere dall’orbita di Hubble questo reperto storico sulla superifcie della Luna. Spero che questo ragionamento, a prescindere dalle altre dimostrazioni di cui abbiamo gia’ parlato, sia sufficiente a capire, per chi ancora oggi crede che non siamo stati sulla Luna, come sia impossibile osservare dalla Terra il punto di atterraggio.

Concludendo, per comprendere il potere risolutivo di uno strumento ottico, e questo ragionamento vale sia per un telescopio che per un microscopio, e’ sufficiente conoscere un po’ di ottica e calcolare agevolmente la minima distanza osservabile Come visto, la grandezza della lente e’ uno dei parametri piu’ importanti da considerare. Tenete a mente questi risultati qualora decideste di acquistare un telescopio per dilettarvi in osservazioni spaziali. Ovviamente, come detto, prima di decidere la tipologia di telescopio, pensate sempre prima a cosa volete andare ad osservare e, dunque, a che distanza vi state approcciando.

 

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

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.