L’anno della luce

L’UNESCO ha proclamato per il 2015 “l’anno internazionale della luce” (e delle tecnologie basate sulla luce). Questa occasione ci porta a meditare su innumerevoli aspetti legati all’illuminazione e all’ottica e, come spesso accade, ci troviamo di fronte ad un mondo a due velocità. La luce ha un’importanza fondamentale per la vita, è la prima fonte di energia per il pianeta, che viene convertita in qualcosa di utilizzabile dagli organismi viventi dalle piante, attraverso la fotosintesi. Di lì parte tutto il ciclo della vita del pianeta Terra. L’uomo, però, nel corso dei millenni ha imparato ad usare la luce per un sacco di altre applicazioni, rendendolo uno degli strumenti più flessibili e potenti che ha a disposizione.

Poche settimane fa commentavamo il Premio Nobel attribuito per la realizzazione dei LED blu, grazie ai quali è possibile costruire “lampadine” a bassissimo consumo e lunghissima durata. Queste stanno entrando nelle nostre case e, piano piano, andranno a sostituire le luci delle nostre città. Nella bolletta energetica del paese, le luci di strada sono una voce rilevante, un risparmio del 50 o del 70%, come si prevede sia possibile, è qualcosa di enorme.

La luce, però, non è solo illuminazione. La luce è il mezzo attraverso cui viaggiano la maggior parte dei GigaByte che compriamo dal nostro gestore telefonico, attraverso le reti a fibra ottica che collegano le centrali telefoniche. Le nostre foto di facebook, i nostri tweet e i nostri messaggi di whatsapp (ma anche la nostra voce al telefono, molto spesso) vengono convertiti in treni di impulsi luminosi che viaggiano da un punto all’altro del mondo lungo queste fibre che, a tutti gli effetti, si comportano come tubi per la luce.

Con la luce, nel “primo mondo”, facciamo anche molte altre cose. Le tecnologie Laser ci consentono di tagliare con precisione incredibile una grande quantità di materiali, per produrre pezzi meccanici di altissima precisione, come micro ingranaggi, anche molto più piccoli di quelli usati negli orologi meccanici. Sempre con il Laser è possibile rimodellare la cornea per eliminare i principali difetti della vista, in particolare la miopia. Molte persone ogni anno si sottopongono a questa terapia per liberarsi definitivamente degli occhiali e oltre il 95% di loro ci riescono perfettamente.

Con un'opportuna serie di impulsi laser è possibile sagomare la cornea in modo da correggere i principali difetti della vista. (immagine da Wikipedia)

Con un’opportuna serie di impulsi laser è possibile sagomare la cornea in modo da correggere i principali difetti della vista. (immagine da Wikipedia)

Molto diversa è la situazione dei paesi più poveri del pianeta, dove l’illuminazione artificiale è un sogno ben lontano dall’essere realizzato. Alcuni anni fa aveva avuto una notevole risonanza l’”invenzione” di un ingegnere del MIT, che con una bottiglia di plastica, un litro d’acqua e un po’ di candeggina aveva trovato il modo di portare la luce all’interno delle abitazioni più povere di Manila. Questo sistema è molto barbaro, ai nostri occhi, ma consente di avere un po’ di luce in baracche che, altrimenti, sarebbero molto buie anche di giorno. Tornando alle motivazioni del Nobel per la fisica di quest’anno, l’Accademia svedese ha proprio posto l’accento sulle potenzialità dei LED di portare una fonte di illuminazione efficiente e a basso consumo anche nei paesi poveri o dove la rete elettrica sia insufficiente: in linea di principio, una piccola sorgente di corrente elettrica, come pannelli solari con un accumulatore o piccole turbine ad acqua, possono illuminare interi villaggi.

Tornando al nostro ricco mondo occidentale, è però opportuna una considerazione del tutto diversa, come ci suggerisce Piero Bianucci. L’illuminazione delle nostre città (collaborando anche con lo smog, delle nostre stesse città…) ci impedisce, molto spesso, di guardare il cielo notturno. Se in molti paesi del mondo il problema è il buio, da noi il problema è (e potrebbe aggravarsi) l’eccesso di luce. A parte renderci impossibile la gioia dell’ammirazione delle stelle, l’eccesso di illuminazione notturna può avere conseguenze per il nostro ciclo circadiano e per gli animali che vivono nelle vicinanze delle nostre città. Molto spesso vediamo, in prossimità di qualche monumento illuminato a giorno, stormi di uccelli che girano come impazziti: sono probabilmente molto disorientati da una luce che, per loro, dovrebbe esserci solo di giorno e, se noi, conoscendone l’origine, ci comportiamo in modo più naturale, non dovremmo pensare di non subirne comunque qualche conseguenza.

Una composizione di immagini satellitari notturne dell'intero pianeta Terra: si vede bene come, nei paesi più industrializzati, l'inquinamento luminoso delle nostre notti sia particolarmente accentuato.

Una composizione di immagini satellitari notturne dell’intero pianeta Terra: si vede bene come, nei paesi più industrializzati, l’inquinamento luminoso delle nostre notti sia particolarmente accentuato. (Immagine da Wikipedia)

Per tutti questi motivi, speriamo che il 2015 sia l’anno della luce per tutti, ma anche che siamo illuminati per imparare ad usare la luce meglio di come facciamo ora.

Scintillante come uno scarabeo!

Certo, non vi consigliamo di regalare alla vostra fidanzata un bacherozzo con il carapace metallico.
La notizia interessante celata dietro al titolo è un’altra: un team di ricercatori britannici, guidati dal Dr.Tom Jordan (Università di Bristol, UK) ha infatti indagato a fondo la natura dello scintillio tipico della corazza di alcuni insetti, rivelandone l’origine: uno strato molto sottile di cristalli di origine organica (tipicamente guanina), disposti in maniera molto irregolare, tale da creare un pattern di diffrazione della luce davvero unico.
L’esistenza di tali membrane è nota da tempo, presente naturalmente anche nei pesci e in molte specie di insetti ma mai si erano indagate in maniera quantitativa le proprietà ottiche di tale membrane.

Coleottero della specie Eudicella gralli.

Coleottero della specie Eudicella gralli.

Le specie di insetti analizzate presentano membrane con spessori diversi, ciononostante, il team britannico ha sottolineato che la capacità di dar luogo ad un effetto ottico noto in fisica come “localizzazione di Anderson”, l’assenza di luce diffusa in un mezzo caratterizzato da forte disordine, è comune a molte specie. La luce che colpisce questi strati di proteine, quindi, non li attraversa ma rimane intrappolata tra i diversi cristalli che la compongono, dando luogo a fenomeni di riflessione tra le varie superfici di questi stessi cristalli.
In risultato netto di questo fenomeno è un ritorno della luce verso l’esterno della membrana e l’apparenza ai nostri occhi di una superficie iper-riflettente.

Per gli scienziati, questo fenomeno può essere una fonte di notevole ispirazione, sia dal punto di vista biologico, essendo un tratto evolutivo legato alla biomimetica estremamente peculiare, sia dal punto di vista applicativo: membrane simili, ad alto potenziale riflettente, potrebbero essere replicate ed utilizzate ad esempio per potenziare l’efficienza di una luce LED oltre ad ottenere svariate applicazioni industriali dove questo tipo di superficie sono richieste.

Da parte nostra ringraziamo ancora una volta scarafaggi e bacherozzi in generale, animali dai quali c’è sempre da imparare.

Fonte: Interface, Journal of Royal Society: Disordered animal multilayer reflectors and the localization of light (T.Jordal et al.) Published 22 October 2014 doi: 10.1098/​rsif.2014.0948
J. R. Soc. Interface 6 December 2014 vol. 11 no. 101 20140948

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La scuola e la trappola delle due culture

Per superare i limiti del disciplinarismo, la scuola italiana deve avere il coraggio di gettare alle ortiche il paradigma delle due culture, la vera palla al piede dell’istruzione.

Lo impariamo fin da piccoli: da un lato ci sono le materie umanistiche – culla del pensiero, del sentimento, dei valori spirituali, del bel dire e del bello scrivere – e dall’altra quelle scientifiche, regno dell’esattezza e della scrupolosità, del calcolo e della tecnologia, della misurazione e della lente del microscopio. Nessuna possibilità di interscambio, di comunicazione, di trasferimento di competenze. Tant’è che, come si suol dire, per riuscire nell’uno o nell’altro ambito, è necessario avere il “bernoccolo” di cui parlava don Lorenzo Milani. Se hai quello del letterato difficilmente avrai quello dello scienziato: è ben noto che chi va d’accordo con le metafore spesso fatica con gli integrali e viceversa. Sono cose troppo diverse tra loro. E se Madre Natura è stata avara di bernoccoli, occorre farsene una ragione e rassegnarsi a una vita di mediocrità.

L’esistenza dei due “bernoccoli”, delle due culture, è talmente radicata da non essere neppure oggetto di discussione: sembra, infatti, che non vi sia modo più razionale e scontato per approcciarsi alla cultura. Dal paradigma delle due culture discendono direttamente le “aree disciplinari” e, sotto certi aspetti, anche gli “assi culturali”, che non fanno che sottolineare come vi siano materie tra le quali si può intavolare un discorso comune e materie reciprocamente impermeabili. A scuola questo si traduce in una surreale separazione tra settore umanistico e scientifico: i professori di lettere, filosofia, lingue classiche e moderne da una parte e i docenti di scienze, matematica, fisica dall’altra, in una sorta di neppure tanto implicita rivalità, che si comunica giocoforza agli studenti. Sei bravo in chimica? Allora stai sicuramente trascurando il latino, e se lì andrai forte, qui il voto ne risentirà. E amenità simili. Così i nostri studenti finiscono con l’accostarsi a determinate materie convinti che potranno sfruttarne le relative competenze solo in un ristretto campo d’azione e che la cultura sia fatta di compartimenti stagni.

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La famosa “Scuola di Atene” di Raffaello, dove si riconoscono Platone, Aristotele, Pitagora, Averroè, Eraclito e molti altri, che oggi chiameremmo scienziati o filosofi, prima che le culture scientifica e umanistica si scindessero. (immagine da Wikimedia)

Ma non finisce qui. Le due metà del cielo di Minerva, i due ambiti del sapere, non sembrano avere pari dignità in Italia, dove l’uomo di scienza viene descritto certamente come amante del rigore, ma fondamentalmente freddo, ottuso, arido, come sarebbero i numeri cui sembra ridurre tutto lo scibile. Incapace di comprendere le ragioni dello spirito, di coltivare valori e di contemplare la bellezza, sarebbe simile agli automi che ha contribuito a costruire. Niente a che vedere con il cultore delle humanae litterae, delle arti liberali, della filosofia: quest’ultimo lo sovrasterebbe con la profondità delle istanze di cui si fa portatore, rappresentate dai grandi uomini del passato di cui si sente epigono.

Tra le gravi conseguenze di questa insensata visione vi è una generalizzata tolleranza nei riguardi dell’ignoranza scientifica, che fa sì che si accetti con indulgenza il fatto che non si sappia impostare una proporzione (se manca il “bernoccolo”… ), mentre si deride l’errore ortografico. Le scienze naturali sono, poi, il fanalino di coda dell’istruzione obbligatoria, perché sembra che quasi a nessuno interessi se un ragazzo che si diploma conosca l’evoluzione o sappia che cosa sono i cloroplasti.

Quanto stiamo pagando, anche dal punto di vista economico, una visione così illogica? Quanto ci tarpa le ali la divisione insanabile tra campi del sapere? La marginalizzazione della cultura scientifica ci rende poco competitivi sul mercato, ma essa è dovuta anche a un’istruzione che sottolinea la bipartizione, lasciando intendere che ci siano ambiti nei quali si può essere impreparati senza conseguenze. E poco importa se ciò si traduce in una diminuzione delle ricerche innovative e dei brevetti.

Cosa fare, dunque, per uscire dalle pastoie di un paradigma senza senso, che lo stesso Snow, cui si deve la definizione di «two cultures», introdusse solo per criticarlo aspramente? Intanto mettere da parte il concetto di aree disciplinari, retaggio di un manicheismo senza senso, e non perdere l’occasione per sottolineare l’importanza dell’interscambio tra le materie e, di conseguenza, tra i docenti.

Inoltre, restituire dignità alla cultura scientifica significa riconoscerne il profondo valore umanistico: dove c’è ricerca razionale, che conduce alla comprensione di meccanismi prima oscuri e all’accrescimento della conoscenza, lì l’humanitas è di casa. Lì ci sono Aristotele e Lucrezio, Descartes e Kant.

D’altra parte, siamo certi che non vi sia scienza nella storia, che non può prescindere dal vaglio critico delle fonti? O nella filologia, che adopera un metodo, quello lachmanniano, che è figlio della matematica, della statistica e del metodo sperimentale? O nella linguistica, nella filosofia, nella metrica?

E siamo certi che la curiosità intellettuale, la passione, il sacrificio e l’entusiasmo, che sono compagni di lavoro per l’uomo di scienza, siano poco “umanistici”?

Con buona pace di Gramellini che tempo addietro definì i ricercatori «aridi manichini del sapere moderno», a me sembra che chi ci aiuta a capire noi stessi e il mondo in cui viviamo sia dotato di grande humanitas, nell’accezione terenziana dell’«homo sum, humani nihil a me alienum puto».

Facciamo in modo che anche i nostri studenti lo imparino. A scuola.

Scientificast #60 – Chi ha paura di Ebola?

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Foto di repertorio: ricerca sul campo durante l'epidemia di Ebola del 1995 (Photo Credit: Content Providers(s): CDC/ Ethleen Lloyd )

Foto di repertorio: ricerca sul campo durante l’epidemia di Ebola del 1995 (Photo Credit: Content Providers(s): CDC/ Ethleen Lloyd )

Ci siamo fatti attendere, ma come sempre per confezionare un podcast di qualità, quella che contraddistingue Scientificast, il podcast scientifico più seguito dello stivale. Buongiorno! Vi siamo mancati? In studio PB e Simone.

Ebola. Qual è la situazione? Quanto dobbiamo temere alla luce delle più recenti notizie di cronaca? Ne parliamo in studio.
PER APPROFONDIRE, affidatevi SOLO alle fonti ufficiali!
World Health organization
CDC
Ministero della Salute, Repubblica Italiana

La Scienza in Padella. Torniamo a parlare di vino, con la seconda parte della rubrica che ha ancora come ospite Andrea Bersani.

Da “Party don’t stop” la Notte dei ricercatori a La Spezia, Giuliano e Ilaria intervistano gli scienziati che sono scesi in piazza a parlare dei loro progetti e delle loro ricerche: Erika Mioni biologa e docente di Scienze Matematiche e Naturali presso l’Istituto Comprensivo ISA 2 “2 Giugno” ci parla del progetto “Percorsi nel Blu”, Nicola Giordani del centro Gustavo Stefanini presenta il laboratorio “Lascia che i robot rischino per voi”, l’ingegner Fabio Gatti della OTO Melara ci spiega “Come funzionano i robot”, Silvia Merlino dell’ISMAR ci illustra il progetto “Sea Cleaner” e Mascha Stroobant del Distretto ligure delle Tecnologie Marine ci racconta la sua esperienza nell’organizzare la Notte dei ricercatori a La Spezia.

Per Scientifibook, parliamo di “Il caso OGM. Il dibattito sugli organismi geneticamente modificati” di Roberto Defez.

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Un foglio di carta piegato a metà 103 volte

Secondo la leggenda, il gioco degli scacchi è stato inventato in India, molti secoli fa dal brahmano Lahur Sessa, per rallegrare il re Iadava. Il re fu così entusiasta da promettere a Sessa qualsiasi cosa avesse chiesto. Sessa chiese un chicco di riso per la prima casella della scacchiera, due per la seconda, quattro per la terza, otto per la quarta e così via. In molti pensarono che, di fronte alla generosità del sovrano, il brahmano si accontentava di pochissimo… poi fecero il conto, e venne fuori che sarebbero serviti (2^64)-1 chicchi di riso, per pagarlo, 18 miliardi di miliardi di chicchi, 400 miliardi di tonnellate di riso circa. Non si sa che fine abbia fatto Sessa, c’è chi dice che il sovrano lo abbia fatto governatore di una provincia del regno, c’è chi dice che lo abbia fatto uccidere. In ogni caso, giocando con le potenze di 2, il brahmano aveva fatto un bello scherzo al suo re.

Se, prima di aver letto a quanto riso corrispondeva la richiesta di Sessa, avete pensato anche voi che il brahmano si accontentava di poco, consolatevi: il nostro cervello è abituato a pensare in termini lineari, non in termini esponenziali, per cui tutti cadiamo in tranelli di questo tipo. Questo si verifica anche se, secondo la legge di Weber Fechner, la risposta di un organo di senso ad una sollecitazione è logaritmica: per avere una sequenza di suoni di intensità percepita linearmente crescente, dobbiamo produrli l’uno il doppio dell’altro, ad esempio. Inoltre, un sacco di fenomeni naturali seguono una legge di crescita esponenziale.

La crescita di una colonia di batteri (se mantenuti in condizioni ottimali) è esponenziale, infatti ne bastano pochissimi per prendersi un mal di gola… e qualche giorno a letto per farselo passare, togliendo loro le suddette condizioni ottimali.

La potenza dei nostri computer aumenta esponenzialmente nel tempo: Gordon Moore, cofondatore di Intel, nel 1965 aveva predetto che il numero dei componenti nei processori sarebbe “approssimativamente raddoppiato ogni anno”, nel 1975 corresse il tiro dicendo “ogni due anni” e l’allora dirigente di Intel David House concluse che, mettendoci dentro anche l’aumento di prestazioni del singolo componente, la capacità di eseguire calcoli di un processore sarebbe raddoppiata ogni 18 mesi. Dal 1971 al 2014 questa “legge” è stata confermata dai fatti e si prevede che il trend proseguirà almeno fino al 2020.

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L’aumento del numero di transistor nei processori cresce secondo la legge di Moore, raddoppiando ogni 2 anni circa. (immagine da wikimedia)

Nella formazione dei fulmini, il campo elettrico prodotto dalle nubi temporalesche genera delle coppie elettrone-ione nell’aria, che iniziano a muoversi sotto l’azione del campo elettrico stesso. Muovendosi producono altre coppie elettrone-ione fino a generare una scarica elettrica lunga anche centinaia di metri. In fisica, questo fenomeno si chiama “rottura del dielettrico” e, con opportuni accorgimenti, può generare oggetti spettacolari.

Un fulmine "imprigionato" in una lastra di Plexiglas, noto anche come figura di Lichtenberg (immagine da Wikimedia).

Un fulmine “imprigionato” in una lastra di Plexiglas, noto anche come figura di Lichtenberg (immagine da Wikimedia).

Per me, però, la più impressionante progressione esponenziale che si può “toccare con le mani” è un foglio di carta piegato a metà. Per molti anni si è creduto che non si potesse piegare un foglio a metà più di 8 volte (provate…), finché una studentessa liceale californiana, Britney Gallivan, è riuscita a ripiegare a metà una striscia di carta per ben 12 volte. Non sembra molto, direte voi. Ha avuto bisogno di una striscia lunga 1200 metri, rispondo io. Ora, se noi pieghiamo un foglio a metà per 10 volte, otteniamo 1024 strati di carta: poco più di due risme di fogli da stampante. Piegandolo a metà un’altra volta, lo spessore diventa quello di 4 risme e così via… molto rapidamente. Se potessimo piegare a metà un foglio di carta 23 volte, raggiungeremmo un’altezza di un chilometro. Arrivando a 30, saremmo al di fuori dell’atmosfera, a 100 km di altezza, e a 42 (numero tra i più magici) raggiungeremmo la Luna, a 400000 km di distanza dalla Terra.

Piegando un foglio di carta a metà per 103 volte, raggiungeremmo uno spessore di quasi 100 miliardi di anni luce, oltre il diametro dell’Universo conosciuto.

La lotta al Dengue può passare attraverso una batterio

global_dengue_lgIl Dengue è una febbre tropicale causata da un virus di cui ad oggi non esiste un vaccino. Tale virus è trasmesso da una zanzara, la Aedes aegypti che comunemente vive in aree urbane della zona tropicale del pianeta. Il ciclo di trasmissione comincia quando una zanzara punge una persona infetta da Dengue. Qui il virus passa dall’uomo alla zanzara e risiede nel suo stomaco per i successivi giorni (fino a 12), in questo periodo la zanzara può trasmetterlo pungendo altre persone, infettandole e ricominciando il ciclo a sua volta.

La febbre è presente in oltre 100 Paesi al mondo e si stima che oltre 2,5 miliardi di persone siano potenzialmente esposte. Ogni anno avvengono circa 390 milioni di infezioni, delle quali circa 500.000 sviluppa la forma acuta, provocando emorragie diffuse molte delle quali con esito letale.

Il Brasile ha con la più alta incidenza di Dengue e rappresenta un caso di emergenza sanitaria per il Paese sudamericano.

Il progetto “Eliminate Dengue” nasce da una collaborazione internazionale per combattere questa malattia e vede il contributo di diversi Paesi, quali Australia, Brasile, Vietnam, Cina, Colombia e Indonesia. L’approccio utilizzato è alquanto originale: prevede, infatti, l’utilizzo di un batterio presente nel 60% degli insetti del pianeta, il Wolbachia. Questi ha la capacità di bloccare il virus Dengue all’interno della zanzara, impedendo di fatto la trasmissione all’uomo. E’ stato infatti dimostrato che la presenza contemporanea del Dengue e del Wolbachia nella zanzara è da relazionarsi al blocco del virus.

Ci si aspetta dunque che, liberando nell’ambiente delle zanzare Aedes aegypti (portatrici del batterio), queste si diffondano in maniera tale da ridurre la popolazione di zanzare veicolo del Dengue.

A questo pwho-dengue-endemic-countries-diagram_lgunto ci si può chiedere: se introduco una specie non autoctona in un ecosistema, rischio di fare danno? Non c’è il pericolo di andare ad intaccare i delicati equilibri ecologici? E’ possibile che ci siano ripercussioni nella rete alimentare con conseguenze anche per altre specie animali?

A quanto pare no. Sono stati condotti degli studi sulla predisposizione ad essere predata della Aedes aegypti contenente il batterio, e non si sono rilevate differenze con la zanzara senza batterio. Soprattutto non si è osservato nessun trasferimento del batterio Wolbachia agli animali predatori. Un altro studio ha inoltre dimostrato come i due tipi di zanzara (con e senza batterio) abbiano la stessa suscettibilità agli insetticidi.

Il progetto continua su diversi fronti, dalla bio sicurezza alla trasmissione, passando per il lato etico/informativo delle popolazioni coinvolte.

Non sappiamo se davvero la lotta al Dengue passerà per una zanzara e un batterio. Se fosse così questa strategia aprirebbe la strada al controllo di malattie trasmesse tramite insetti, come ad esempio la malaria. Per questo bisognerà attendere i risultati sulla diffusione del virus e sull’impatto della zanzara sull’ecosistema. A questo proposito il 24 settembre sono state rilasciate in Brasile le prime zanzare “modificate” e l’operazione verrà supportata con monitoraggi estesi sul territorio per i prossimi quattro mesi. Se l’espansione della zanzara sarà estesa, quello che ci si aspetta è un calo sensibile dell’incidenza del Dengue in quella zona. Solo allora si potranno trarre le prime conclusioni sull’efficacia di questa strategia che per la prima volta viene applicata su larga scala in molti Paesi dell’area tropicale.

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