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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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Egitto: gioielli dallo spazio!

21 Ago

Un nostro sempre attento utente del forum:

Psicosi 2012 forum

mi ha segnalato una notizia davvero molto interessante e che credo sia il caso di riportare.

Di cosa si tratta?

Invece di partire dalla notizia, che se vogliamo e’ la conclusione, partiamo dall’inizio della storia. Nel 1911 venne trovato un antico cimitero egizio nella localita’ di Gerzeh, circa 70 Km a sud del Cairo. In questo luogo vennero individuate 67 tombe in totale, molte delle quali, per fortuna, non toccate dai tombaroli che gia’ nell’antico Egitto erano un problema. All’interno di queste tombe, vennero rinvenuti diversi oggetti e ornamenti, molti dei quali caratteristici delle sepolture all’epoca dei faraoni.

Tra gli ornamenti trovati, c’era anche una collanina. Una semplice collanina realizzata mettendo insieme una sorta di perline tubolari in ferro, come mostrato nella foto:

I tubicini in ferro e una delle collanine che li conteneva

I tubicini in ferro e una delle collanine che li conteneva

Cosa aveva di tanto speciale questa collanina? Dalla datazione, si vide come quell’antico ornamento era stata realizzato ben 5000 anni fa. Questo rendeva le perline il piu’ antico manufatto in ferro mai rinvenuto.

E allora? Tutto qui?

Assolutamente no. La peculiarita’ di questo oggetto e’ che gli egiziani iniziarono a lavorare il ferro soltanto nel VI secolo a.C.. Per dirla tutta, erano gia’ stati rinvenuti oggetti ferrosi precedenti alla cosiddetta epoca del ferro, ma mai cosi’ antichi.

Capite dunque come si cominci a delineare un mistero.

Da una prima analisi del ritrovamento, si vide come la percentuale di Nichel contenuta nel tubicino era estremamente alta, non compatibile con i materiali realizzati in seguito da queste popolazioni. Gia’ intorno al 1930, si era avanzata l’ipotesi che il ferro utilizzato per la collana, non fosse di origine terrestre, bensi’ proveniente dallo spazio.

Immaginate nel 1930 la reazione della comunita’ archeologica ad un’idea del genere.

Intorno al 1980 infatti, nuove analisi vennero condotte sul reperto e si avanzo’ l’ipotesi che il materiale fosse in realta’ di origine terrestre, ma ottenuto, casualmente e ben prima dello sviluppo di questa tecnica, da una fusione con elementi sbagliati.

Solo in questi giorni, e’ arrivata la soluzione di questo mistero durato quasi un secolo. Su una rivista specializzata, e’ infatti comparso l’articolo realizzato da vari ricercatori inglesi, in cui si dimostra l’origine cosmica del ferro della collana.

Come e’ stato possibile arrivare a questa conclusione?

Ovviamnete, sono state condotte nuove analisi. Su un reperto del genere, non si puo’ certo pensare di tagliarlo per visionare l’interno. Su questo problema sono pero’ giunte in aiuto le nuove tecniche sviluppata dalla scienza. Il tubicino di ferro e’ infatti stato ispezionato utilizzando la tomografia computerizzata e il microscopio elettronico. Tecniche ovviamente non disponibili al tempo delle prime analisi.

Struttura interna di un tubicino. Le aree blu indicano la presenza di Nichel

Struttura interna di un tubicino. Le aree blu indicano la presenza di Nichel

Gli studi condotti hanno mostrato come la percentuale di Nichel contenuta nel ferro sia molto alta, anche fino al 30%, ma soprattutto nella parte interna. Mentre e’ molto minore la percentuale sulla superficie esterna. Oltre al Nichel, piu’ abbondante, sono state trovate tracce di cobalto, germanio e fosforo. Tutti questi elementi sono compatibili con la composizone delle meteoriti di natura ferrosa.

Cosa significa questo?

Semplicemente che la materia prima utilizzata per ottenere l’ornamento e’ stata ricavata da un meteorite caduto in Egitto. Gli antichi egiziani hanno dunque raccolto il sasso cosmico e hanno lavorato il ferro contenuto martellando fino ad ottenre sottili lamine. Vista la durezza del materiale, aumentata dalla composizione chimica, il lavoro deve aver richiesto un tempo molto lungo. Una volta ottenute le lamine, si sono arrotolate per ottenre il tubicino che faceva da ornamento alla collana.

Le analisi condotte hanno inoltre consentito di ricostruire una struttura molto particolare nota come figure di Widmanstätten. Si tratta semplicemente di aperture sulla superficie causate dal lento raffreddamento del meteorite. Dunque, sia la composizione chimica che quella fisica della struttura confermano l’origine etraterrestre del materiale con cui era realizzato il manufatto.

Ovviamente, anche se sporadiche, non sono mancate le speculazioni sul web. Come potete immaginare, non e’ mancato chi ha visto in questa scoperta finalmente la connessione tra antico egizio e visitatori venuti dallo spazio. Come detto in precedenza, la notizia riguarda solo ed esclusivamente l’origine cosmica della materia prima utilizzata.

Storicamente, quanto scoperto e’ compatibile con la cultura del popolo. Come anticipato, anche secoli prima dell’inizio dell’era del ferro, erano stati realizzati manufatti di questo minerale. Ovviamente, questi sono stati ritrovati all’interno di importanti tombe, come ad esempio in quella del faraone Tutankhamon. Dal momento che gli egiziani avevano una forte venerazione per il cielo, considerato come la casa degli Dei, e’ presumibile che ogni oggetto proveniente dal cielo potesse essere visto come un segno di benevolenza divina.

Nei secoli successivi poi, come riportato da numerose iscrizioni, gli egiziani svilupparono una sorta di venerazione per il ferro, visto come un minerale divino e indistruttibile. Tra l’altro, secondo la cultura egizia, di ferro erano le ossa degli Dei, fatte appositamente per essere eterne.

Concludendo, le nuove analisi condotte hanno permesso di risolvere il mistero dell’origine dei manufatti trovati nel 1911 ma realizzati secoli prima che gli egiziani imparassero a lavorare il ferro. In questo caso, intervento decisivo e’ stato quello delle nuove tecniche di diagnostica sviluppate dalla ricerca. Tecniche non invasive che hanno consentito, praticamente senza toccarlo, di scansionare la struttura dell’oggetto nel suo insieme in modo preciso e affidabile. Ovviamente, le storielle che leggete sul web circa la connessione tra egiziani e alieni sono del tutto false e assolutamente non confermate da questa ricerca. L’articolo di oggi ci ha invece permesso di capire meglio la concezione divina nell’antico Egitto e le diverse tecniche utilizzate nei secoli per produrre monili e oggetti per 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.