The plankton paradox (il paradosso del plancton)

Diatomee marine osservate al microscopio. Imagecredit: Wikimedia Commons

Sembra il titolo di un episodio della divertentissima serie televisiva Big Bang Theory, ma il paradosso del plancton in oceanologia descrive la paradossale situazione in cui una serie limitata di risorse (luce e sostanze nutrienti) provoca lo sviluppo di una gamma molto più ampia di microorganismi acquatici.

Il paradosso è in palese contraddizione con il principio di esclusione competitiva (o principio di Gause), che afferma che se due specie coesistono in un medesimo ambiente, ciò avviene in ragione del fatto che esse presentano nicchie ecologiche separate. Qualora, però, le due specie presentino nicchie sovrapposte, allorà una delle due specie prenderà il sopravvento sull’altra fino ad eliminarla. La grande biodiversità del fitoplancton per tutti i livelli filogenetici invece è in contrasto con la gamma limitata di risorse per cui sono in concorrenza una con l’altra (come ad esempio nitrati, fosfati, acido silicico, ferro).

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Verso il replicatore: la stampante dei cibi digitali

Il replicatore, un gadget ipertecnologico ben noto a tutti i fan di Star Trek e ritenuto per anni un prodigioso sogno decisamente lontano dall’essere realizzabile, ha già compiuto i suoi primi passi in questo universo, anche se il resto del percorso è ancora lungo e tortuoso.

Il replicatore della Voyager. Imagecredit: Paramount (via Memory Alpha)

Un approccio futuristico che per ora è stato impiegato solo nel campo delle nanotecnologie, promette di replicare oggetti di modeste dimensioni, con applicazioni anche per le missioni spaziali. Si tratta di una vera e propria stampante tridimensionale ed è stata battezzata Electron Beam Freeform Fabrication (EBF3), un dispositivo che grazie ad un fascio di elettroni modella un materiale grezzo creando la forma desiderata, una parte meccanica, un ricambio o un utensile, con costi irrisori e soprattutto in tempi brevi.

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Superplastiche eco-friendly

Dinamica molecolare di sistemi composti da organo-argilla. Imagecredit: Durham University

Un materiale che deriva dall’argilla comune potrebbe diventare la futura superplastica grazie alla sua economicità e resistenza, ma soprattutto per il suo minimo impatto ambientale che lo contraddistingue.

Arriva dagli stessi ricercatori la segnalazione di una valutazione approfondita per il primo materiale a basso costo producibile su scala industriale. Il materiale originalmente in polvere, è derivato in buona parte dall’argilla, un fillosilicato di alluminio (dal greco phyllon, foglia: un particolare silicato caratterizzato da una struttura stratificata), sostanza assolutamente innocua per la salute e reperibile in grande quantità, che garantisce di essere un ottimo sostituto per il composto tradizionalmente utilizzato nella produzione di materiali nanocompositi.

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Ecco l’antidoto contro l’avvelenamento del catalizzatore nella fuel cell a idrogeno

Produzione di energia a partire dall'idrogeno: alla fine del ciclo si produce energia ed acqua pura. Imagecredit: Wikimedia Commons

Uno degli inconvenienti più critici delle pile a combustibile alimentate con idrogeno ottenuto dal processo di reforming, consiste nel cosiddetto avvelenamento del catalizzatore, una degradazione irreversibile di quest’ultimo causata dalle impurità di monossido di carbonio. Questa contaminazione gassosa è pressoché inevitabile quando l’idrogeno viene prodotto a partire dal petrolio. Anche se si sfruttasse un ingombrante equipaggiamento per la purificazione, necessario per evitare la presenza di monossido di carbonio, la complessità del sistema aumenterebbe al punto di provocare una parallela riduzione delle prestazioni.

I veicoli alimentati da celle a idrogeno promettono un rifornimento più veloce e una maggiore autonomia rispetto ai diversi metodi di alimentazione delle automobili elettriche, ma l’avvelenamento da monossido di carbonio (CO) rappresenta un serio problema. Almeno fino ad ora. Alcuni scienziati statunitensi e giapponesi sono riusciti a creare nuovi catalizzatori  a nanoparticelle che permettono alle celle a combustibile a idrogeno di resistere anche a concentrazioni di CO finora considerate proibitive.

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Nuclear warning: bollettino radioattivo

Imegecredit: Wikimedia Commons

La mia indignazione riguardo al rinascimento nucleare non riesce ad affievolirsi, anzi di recente sono sempre più allarmanti le notizie che giungono dal fronte, e non riesco proprio a comprendere come si possa ignorare  eventi così preoccupanti e la stampa italiana, come al solito latita.

Inutile ricordare che con le rinnovabili non sussiste alcun pericolo per la popolazione che abita nei dintorni di una centrale, la radioattività è un insidia invisibile che colpisce nonostante l’ideologia politica che la supporta, come una livella che non guarda in faccia a nessuno e si fa beffe della casta di appartenenza, ricchi o poveri, belli o brutti, son colpiti tutti.

Ma vediamo che cosa i media in Italia non fanno passare, la nostra personale omertà di stampa di queste ultime settimane:

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Molecole antropomorfe?

L'invasione dei Nanopuziani! Imagecredit: JOC

Si chiamano Nanoputians (traducibile con Nanopuziani) e sono molecole reali con una formula di struttura che raffigura un essere umano stilizzato. Avevo già trattato di una molecola ipotetica che compone con la sua formula la parola SEX, ma qui andiamo ben oltre.

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La memoria delle piante e chimiche fito-cognitive

Fino a qualche anno fa anche negli animali era tabù parlare di intelligenza, ma oggi non è più così, oltre all’istinto c’è di più. Penso che l’intelligenza sia una proprietà biologica, una proprietà della vita stessa, che si è adattata differenziandosi ed evolvendosi in modi distinti secondo precise esigenze biologiche.

In sintesi, non esistono esseri viventi privi di una forma di intelligenza, e il regno vegetale non fa eccezione, sebbene sia comprensibile quanto può essere difficile  accettarlo senza porsi qualche interrogativo esistenziale.

Intelligenza del cavolo! Molti studi vengono condotti su piante come l'Arabidopsis thaliana, appartenente alla stessa famiglia del cavolo comune, e utilizzata come "organismo modello". Imagecredit: Wikimedia Commons

Il ruolo della chimica infatti non è relegato solo alle esigenze energetiche e riproduttive della vita vegetale, ma come per il regno animale, vi sono numerosi segnali di attività cognitive.

Le piante di pomodoro comunicano con quelle della propria specie anche a chilometri di distanza. I messaggi sono veicolati da sostanze chimiche e i contenuti sono, per esempio, “attenzione, attacco d’insetti”, ma si può trattare anche di dati sugli stati nutrizionali del terreno: “Da questa parte c’è acqua!”. Le piante sono territoriali e, non potendo spostarsi, difendono la loro area vitale con i “denti”. Quando una pianta entra con le radici nello spazio vitale della pianta di un’altra specie, vengono emessi segnali di avvertimento. Se vengono ignorati, allora si scatena una guerra chimica, con emissione di sostanze mortali per le radici dell’antagonista.

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Scacco ai falsari, la chimica rivela istantaneamente banconote contraffatte

Grazie a una tecnica semplice e veloce che esamina la composizione chimica della superficie delle banconote, è ora possibile identificare anche la migliore tra le falsificazioni di cartamoneta. La tecnica è stata sviluppata in seguito a una collaborazione di alcuni scienziati brasiliani e statunitensi. La contraffazione di banconote è un problema globale che sta aumentando in portata e complessità, i falsari oggi utilizzano metodi sempre più sofisticati per la riproduzione digitale, come scanner e stampanti laser,  e sono finiti i tempi in cui un falso poteva essere individuato semplicemente osservando e palpeggiando il foglietto di carta.

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I cambiamenti climatici sono reali, ma l’energia nucleare non è la risposta (via nuclear-news)

Il tempo stringe per la costosa, pericolosa, sporca industria nucleare. La disperata propaganda della lobby nucleare sostiene che è pulita, ed è una soluzione al riscaldamento globale. Questa è una clamorosa bugia.

Climate Change is Real, but Nuclear Power is Not the Answer Time is running out for the expensive, dangerous, dirty, nuclear power industry. The nuclear lobby's desperate propaganda is that the industry is clean, and is a solution to global warming. That is a lie. … Read More

via nuclear-news

Costo dell’energia: il sorpasso del fotovoltaico ai danni del nucleare

Il prezzo dell'energia: pareggio tra solare e nucleare nel 2010. Imagecredit: Facing South

L’energia solare negli Stati Uniti costa meno di quella nucleare. Questa scioccante verità, sicuramente destinata a far discutere, è quanto emerge dal rapporto di John Blackburn, Professore Emerito presso la Duke University ed ex presidente del dipartimento di economia dell’università, rilasciato pochi giorni fa dal N.C. Waste Awareness and Reduction Network. Mentre il prezzo dei sistemi fotovoltaici è in calo da decenni, il costo delle nuove centrali nucleari ha subito una notevole escursione – e il punto di pareggio è stato raggiunto almeno in North Carolina, dove l’energia solare è ora meno  costosa rispetto al nucleare.

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Fusione fredda: un tema sempre scottante! (con video)

Arno Penzias, il Premio Nobel scopritore della radiazione cosmica di fondo, a proposito del Big Bang e dell’evoluzionismo ha rilasciato un emblematico aforisma:

«Siamo la prova delle contraddizioni della vita: sappiamo molto più di quanto riusciamo a provare»

Chi può negare quanto questa espressione si applichi ad un gran numero di controversie scientifiche, caldamente dibattute anche oggi?

La fusione fredda non fa eccezione, e sebbene ancora adesso sia relegata ufficialmente al rango di “pseudoscienza”, gli studi in questo campo sono sempre più numerosi e irruenti, e tuttavia il consenso del mainstream scientifico è ancora lontano dall’essere raggiunto.

Una "traccia tripla" in un rilevatore plastico per le radiazioni (CR-39). La prova dell'emissione di neutroni dal "palladium deuteride", che suggerisce una reazione tra deuterio e trizio?

In effetti lo stesso termine è quasi un ossimoro che mitizza anche troppo questo fenomeno, pertanto nel tempo, il termine fusione nucleare fredda viene via via abbandonato dagli addetti ai lavori, a causa dello scetticismo preconcetto che accompagnava il fallimento delle riproduzioni dell’esperimento originale di Martin FleischmannStanley Pons dell’Università di Salt Lake City – Utah, abbracciando gli acronimi L.E.N.R. (Low Energy Nuclear Reactions – Reazioni Nucleari a Bassa Energia) e C.A.N.R. (Chemically Assisted Nuclear Reactions – Reazioni Nucleari Assistite Chimicamente), e recentemente associata a C.M.N.S. (Condensed Matter Nuclear Science – Scienza Nucleare della Materia Condensata), al fine di sganciarsi  sempre più dall’aura di connotazioni negative evocata da FF (o Cold Fusion) e forse per vincere quella inseparabile diffidenza dovuta a un dogmatico eccesso di fiducia in un metodo scientifico troppo canonico.

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Serendipity glue!

La sensazione che si prova quando si scopre una cosa non cercata e imprevista mentre se ne sta cercando un’altra, non ha prezzo. In questo caso, la serendipità ha baciato alcuni scienziati impegnati nella ricerca di nuovi materiali per colle hot melt, quelle che ad esempio si utilizzano in legatoria per la brossura a caldo dei libri.

Una scoperta accidentale, che non ha risparmiato il fallimento dell’oggetto della ricerca in corso, un nuovo materiale ecologico che sostituisca le attuali composizioni degli adesivi. Fortuitamente però i ricercatori si sono accorti che il materiale ricavato da alcuni oli vegetali e resine economiche e biocompatibili era incredibilmente appiccicoso, come racconta Kaichang Li, professore della Oregon State University.

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Quelle pinzette olografiche che sembrano un raggio traente

L'orientamento di una cellula manipolata dal laser. Imagecredit: Wikimedia Commons

Esiste un nuovo strumento a disposizione della scienza che si avvale della tecnologia olografica per manipolare oggetti microscopici troppo fragili e delicati per essere ruotati, spostati oppure orientati  opportunamente senza danneggiarli irrimediabilmente. L’ultima evoluzione di questa tecnologia è stata sviluppata all’Università di Tel Aviv dalla dottoressa Yael Roichman, ed è in grado di manipolare contemporaneamente fino a 300 nanoparticelle alla volta, come ad es. polimeri o microsfere vetrose.

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Molecole senza pudore!

Alcuni composti chimici possono essere scandalosi per i loro effetti nefasti sull’uomo o sull’ambiente, altri risultano scabrosi (a dir poco) per il loro uso, come l’uranio impoverito per le armi, o le droghe di sintesi.

The SEX molecule! (Cliccando sull'immagine è possibile interagire con la struttura di SEX)

Alcune molecole invece possono far sorridere i chimici, come ad esempio un sale dell’acido xantico, l’etil-xantato di sodio, una nomenclatura non raccomandata dalla IUPAC, ma che in inglese diventa un acronimo sessuale: SEX (da Sodium Ethyl Xanthate). Purtroppo questa sostanza è un agente utilizzato come flottante per l’estrazione mineraria, è altamente tossico e non possiede nessun’altra attrattiva, anche la sua formula di struttura è abbastanza formale.

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Monossido di carbonio: la sicurezza viene dal colore

Le due forme dell'indicatore

Il monossido di carbonio è un veleno estremamente subdolo: è incolore, inodore, insapore ed è tossico anche a basse concentrazioni. Di solito si forma a causa di una combustione incompleta dei combustibili organici (carbone, olio, legno, carburanti), dai motori a combustione, nei forni a gas o a legna. La combustione incompleta porta ad un’ossidazione parziale delle sostanze coinvolte, producendo una maggiore quantità di CO rispetto alla CO2.

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Chimica, ultima frontiera

Lab-on-a-chip su vetro. Imagecredit: Wikimedia Commons

Forse qualcuno potrebbe trovare entusiasmanti alcuni  dei nuovi gingilli che circolano nei laboratori più all’avanguardia, dispositivi che hanno qualcosa di miracoloso, reso concreto dall’ingegnosità e dagli sforzi dei ricercatori delle numerose discipline applicate nei prodigiosi lab-on-a-chip. Questi dispositivi, consentono analisi molto complesse, con applicazioni in tutti i campi della chimica analitica e della chimica clinica. Alcuni modelli sono in grado di controllare campioni acquosi, identificando fino a 25 agenti inquinanti in circa mezz’ora, compresa la loro concentrazione, grazie a un biochip che rileva la risposta elettrochimica di anticorpi specifici. Fra le sostanze rilevate, vi si trova anche l’atrazina, uno dei pesticidi più comuni, rintracciabile anche in concentrazioni dell’ordine delle parti per milione (ppm), tuttavia ancora insufficiente per discriminare il campione secondo i limiti di legge.

La potenzialità di questi “ordigni”, si esprime in tutta la loro complessità per  gli utilizzi dedicati alla biochimica, con tecniche immunoenzimatiche, o con traccianti magnetici in luogo dei convenzionali enzimi, radioisotopi o altri mezzi fluorescenti. Anche le tecniche che impiegano la reazione a catena della polimerasi o PCR, una tecnica di biologia molecolare che consente la moltiplicazione di frammenti di acidi nucleici al fine di ottenerne quantità sufficiente per diagnostica clinica, ma anche in medicina legale, in microbiologia o per l’ingegneria genetica.

1000 parametri nel palmo di una mano. Imagecredit: rsc.org

Un “mostro” analitico, come quello nella figura a destra, sviluppato nell’Università di California, a Los Angeles, è addirittura in grado di tracciare oltre 1000 analiti in situ, sfruttando tecniche di estrazione in fase solida (SPE) e spettrometria di massa integrata. Un portento.

In generale la fabbricazione si avvale di una tecnica che ben si adatta alla produzione di massa, la fotolitografia, un processo simile alla stampa che sfrutta i materiali più adatti al caso, dal vetro al metallo, dalla ceramica alla carta, presumo che anche in questo aspetto non ci saranno limiti, e i costi non sono neanche lontanamente paragonabili con i metodi tradizionali.

A fronte di tutte queste ottime qualità\prezzo\prestazioni e chipiùnehapiùnemetta, non bisogna dimenticare però alcuni importanti aspetti fondamentali, che non è proprio possibile trascurare. Intanto è una tecnologia giovanissima, non completamente sviluppata e testata esaustivamente. C’è ancora molto lavoro da fare. Gli effetti fisici come le forze di capillarità o quelli chimici delle superfici dei canali diventano predominanti e portano i sistemi Lab-on-a-chip a comportarsi differentemente e ogni tanto in maniera più complessa delle strumentazioni di laboratorio convenzionali. I principi di rilevazione non sempre sono calibrati per una trasduzione ottimale, portando ad un basso rapporto segnale-rumore che provoca così un elevato errore analitico. Infine anche se l’assoluta accuratezza geometrica e l’elevata precisione nella microfabbricazione  sono facilmente ottenibili, spesso risultano relativamente povere, se confrontate con le attuali tecniche della meccanica di precisione o altre nanotecnologie, per esempio.

Ricordo che quando iniziai a studiare, non troppo tempo fa, per alcune analisi occorrevano ore, chi ha eseguito una gravimetrica per separare il ferro da una matrice acquosa, con filtrazione sottovuoto e amenicoli pratici vari come la calcinazione finale, lo sa. La tecnica era tutto, era necessario mantenere l’attenzione sempre alta per non incorrere in una ripartenza da zero. Già allora insegnavano a lavorare in doppio, a discapito del tempo e a favore del fatto che la media dei due risultati era più precisa di uno solo.

Una ventina di anni fa in un laboratorio tipico lavoravano numerosi tecnici, spesso specializzati in settori distinti e con competenze approfondite frutto di anni di esperienze e osservazioni che arricchivano la professionalità dell’operatore rendendolo un vero esperto.

Oggi, siamo all’estremo opposto. I laboratori odierni pullulano di kit rapidi,  aggeggi polianalitici senza scrupoli e tecnici solitari che devono fronteggiare le competenze più diverse, dall’automazione integrale delle apparecchiature ai requisiti fondamentali dei laboratori di prova pro-certificazione, dalla gestione dei protocolli analitici più recenti alla comprensione delle nuove tecniche che minano economicamente quelle tradizionali, per una futura adozione. Un compito per nulla facilitato dalla produttività che viene richiesta e messa sempre in discussione, come ad esempio nei laboratori conto terzi. La nuova frontiera della chimica analitica non è tutto oro che luccica, le insidie sono molteplici e spesso incomprensibili, e la riduzione del personale nei laboratori è in rapido declino, una tendenza inarrestabile.

Il rischio principale tuttavia, consiste nell’assunto che queste nuove tecnologie presto sostituiranno completamente la figura del chimico, il povero tecnico di laboratorio. Certamente molti credono ciecamente che un microchip ben congegnato potrà dargli qualunque risposta, quasi come un magico tricorder di Star Trek, pur non avendo alcuna competenza, ma è meglio che non dimentichi che nella maggior parte dei casi solo un chimico esperto potrà interpretare obiettivamente e con perizia quegli stessi dati.

Beninteso, non sono contrario a questo tipo di progresso, tuttavia sarebbe meglio accedervi in maniera sostenibile e con una certa base di umiltà, evitando di soppiantare improvvisamente le tecniche acquisite più tradizionali e che hanno ancora molto da dire.

Per chi vuole approfondire: Lab on a chip Journal, STMicroelectronics, CNR

Scoprendo cosa bevi, capirò dove sei stato

Acqua, birra e altre bevande contengono tracce di sostanze chimiche naturali che rappresentano una vera e propria impronta tracciabile in stretta relazione con la posizione geografica di provenienza. Un database apposito, adesso potrebbe essere d’aiuto per  rintracciare l’origine delle bevande assunte, coadiuvando ad esempio un’indagine volta a stabilire l’itinerario di un sospetto.

Acqua in bottiglia, bevande gassate, birra e quant’altro, a seconda della loro provenienza, possono essere caratterizzate e geolocalizzate con una certa precisione. L’assunzione di una certa quantità di liquido, lascia una distinta impronta chimica nei capelli, i quali potrebbero essere analizzati per ottenere un monitoraggio cronologico dei luoghi visitati, come  suggerisce uno studio recente. I risultati sono stati pubblicati sul Journal of Agricultural and Food Chemistry dell’American Chemical Society.

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