Tre curiosità estive (e mezza)

Perché non ci si abbronza dietro al vetro

pixabay.com

Dal sole ci arriva luce di ogni colore, anche quelli che non esistono. Prendiamo i raggi ultravioletti (o UV) che, come suggerisce sottilmente il nome, hanno una lunghezza d’onda più corta del viola. Questa luce è più viola del viola, che però è l’ultimo colore che siamo in grado di vedere: niente colori UV per noi.

I raggi UV possono danneggiare cellule, che si proteggono producendo melanina per proteggersi. Più melanina si ha, più la pelle è scura. Chi non ne produce tanta di suo può stimolarla mettendosi al sole, abbronzandosi.

Il vetro l’abbiamo inventato e perfezionato per vederci attraverso: ci interessava la luce visibile. Ma il fatto di essere trasparente cambia a seconda della lunghezza d’onda della luce. E infatti la luce UV non attraversa bene il vetro.

Meno luce UV vuol dire che la nostra pelle si preoccupa meno, e quindi non si abbronza.



Raffreddamento estremo coi laser

pixabay.com

Quando pensiamo ai laser, probabilmente pensiamo a laboratori, scintille, fumo, pistole laser, spade laser… Il freddo, insomma, non è in cima alla lista. Ma per raffreddare davvero qualcosa (e intendo vicino allo zero assoluto), il laser è uno dei modi migliori.

Se si va a vedere nel profondo della fisica, la temperatura esprime quanto veloce si stanno muovendo le cose. Ad esempio, l’aria in una stanza è fatta di tante molecole che si muovono di continuo, qualcuna più veloce, qualcuna meno. Più alta è la temperatura dell’aria, più alta è la media di queste velocità. Viceversa, meno si agitano le molecole, più bassa è la sua temperatura.

vescent.com

Solitamente raffreddiamo le cose mettendole a contatto con qualcosa di più freddo, e il rallentamento delle particelle arriva (in un certo senso) di conseguenza. Ma coi laser è diverso.

Semplificando molto, ci sono tre coppie di laser che si incontrano in un punto, dove abbiamo messo gli atomi da raffreddare. Perciò, se un atomo si muove in una certa direzione, va per forza incontro ad almeno un fascio laser, che è stato preparato in modo da cedergli un pochino di energia, spingendolo indietro.

Così ogni atomo è obbligato a stare praticamente fermo, e il gruppo di atomi si raffredda.

 

Perché il ventilatore fa fresco

CC-BY-SA haru__q/flickr.com.

 

Per lo stesso motivo per cui soffiare sul brodo lo raffredda. Ma andiamo in ordine.

Quando fa caldo sudiamo.

Le molecole di acqua nel sudore si agitano—qualcuna più veloce, qualcuna meno—e si scontrano tra loro di continuo. Quanto veloci vanno, come abbiamo visto, c’entra con la loro temperatura.

Deboli forze tra una molecola e l’altra le tengono vicine, e così l’acqua resta liquida. Ogni tanto, però, una molecola molto veloce può riuscire a sfuggire a queste forze, evaporando. La velocità media delle molecole rimaste indietro si abbassa, e così anche la loro temperatura.

Le molecole evaporate, tuttavia, non vanno molto lontano, così possono essere “catturate” dal liquido, rientrando nel gruppo. La superficie di ogni microscopica gocciolina di sudore, quindi, è un continuo andirivieni.

Il ventilatore soffia via le molecole evaporate, che così non possono essere ricatturate, sbilanciando il delicato equilibrio della superficie. In questo modo, sempre più molecole lasciano definitivamente le gocce di sudore, si portano via del calore e raffreddano la nostra pelle. Che è anche il motivo per cui il brodo si raffredda soffiandoci su.

… e perché l’afa peggiora il caldo

L’idea è la stessa del ventilatore, ma al contrario.

Più l’aria è umida, più acqua contiene. Perciò è anche più probabile che molecole d’acqua vengano catturate dalle gocce di sudore. L’equilibrio della superficie si sposta nell’altra direzione, il sudore evapora lentamente e il caldo ci resta addosso più a lungo.

 

Per saperne di più
  • Un sito di fotografia spiega quello che ci perdiamo a non vedere gli UV
  • Una simulazione interattiva per capire meglio la faccenda movimento-temperatura
  • La spiegazione più precisa del raffreddamento laser sul sito dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
  • Il grande Richard Feynman spiega più in dettaglio la storia del brodo e dell’evaporazione
  • Due cose in più su Sole, abbronzatura e scottature
Amorefisico va in vacanza! Ci risentiamo il 9 settembre
Buone vacanze!

 

Foto copertina: CC0 Counselling, via pixabay.com

Il felice incidente che apre la strada per incredibili batterie del futuro

Chi non vorrebbe un telefono sottile, che rimane carico per giorni e mantiene la durata della batteria per anni? Ma le batterie grosse e che non durano nel tempo zavorrano molte tecnologie, al di là dell’elettronica quotidiana, dalle auto elettriche alle centrali fotovoltaiche ed eoliche.

La nanotecnologia ha mostrato sprazzi di una soluzione: le batterie a nanofili, tuttavia ci sono ancora grossi ostacoli da superare. Anzitutto, questi apparecchi futuristici sono ancora molto fragili e inaffidabili. Ma, grazie al lavoro di Mya Le Thai—dottoranda nel laboratorio del Prof Reginald Penner all’Università della California-Irvine—ora abbiamo un metodo promettente per farle durare virtualmente una vita.

Il nocciolo del funzionamento di una batteria è usare reazioni chimiche per trasferire elettricità tra pezzi di materiale conduttore (gli elettrodi) e una soluzione elettrolitica (essenzialmente, un liquido in cui sono disciolti dei sali). Al posto degli elettrodi, le batterie ai nanofili usano migliaia di fili conduttori, ognuno più sottile del filo di una ragnatela. Perciò le reazioni chimiche hanno un sacco di posto a disposizione, anche in piccole batterie. “Il vantaggio principale dei nanofili per lo stoccaggio dell’energia è l’incredibile rapporto superficie:volume, che permette di ottenere un’altissima potenza (ovvero corrente)”, spiega Penner.

Ma, aggiunge, questa potenza ha un costo: “Questa enorme superficie amplifica anche l’effetto di tutti quei processi chimici che erodono la superficie dei fili”. Infatti le reazioni chimiche che danno energia alla batteria sono le stesse che ne consumano gli elettrodi. Così una batteria può passare tra essere scarica e carica solo un certo numero di volte (qualche centinaio di solito) prima di perdere capacità. Che è poi il motivo per cui, ad esempio, i cellulari restano carichi sempre meno man mano che invecchiano.

Per i nanofili è anche peggio: non solo sono più soggetti alla corrosione, come diceva Penner, ma l’elettricità che gli passa attraverso li sforza molto più di quanto farebbe con massicci elettrodi. Perciò, dopo qualche migliaio di cicli di carica-scarica, i fili sono consumati e corrosi e si spaccano. Quando succede, la batteria è completamente inutilizzabile.

Thai stava lavorando su nanofili d’oro rivestiti di ossido per fare dei condensatori, aggeggi in un certo modo simili a batterie con due poli positivi, che immagazzinano carica elettrica senza usare reazioni chimiche. Perciò possono essere caricati e scaricati molto rapidamente. Con sua (e di tutti) sorpresa, gli apparecchi con cui lavorava Thai duravano centinaia di volte più a lungo del normale. Racconta Penner: “Eravamo entrambi esterrefatti quando ha iniziato a provarli e la capacità non è diminuita dopo 10mila cicli, poi 20mila, e infine (settimane dopo) 100mila cicli. A quel punto abbiamo smesso, sebbene i condensatori non avessero mostrato nessuna perdita di carica. Magari l’avessimo programmato!”

I ricercatori hanno riportato la loro scoperta in un articolo pubblicato su ACS Energy Letters. La chiave sembra fosse usare un gel invece di liquido per la soluzione elettrolitica, ma loro stessi ammettono di non avere le idee molto chiare sul perché. Secondo loro, il gel ridurrebbe lo stress meccanico sui fili e, allo stesso tempo, preverrebbe la corrosione: “Pensiamo faccia entrambe le cose”, dice Penner, “il gel ammorbidisce o plastifica il rivestimento, prevenendo le rotture, ma sembra anche rallentare la corrosione in un modo che non abbiamo ancora ben capito”.

Secono Penner, servirà ancora molto lavoro per valutare la fattibilità di batterie basate sui nanofili. Soprattutto, non è ancora chiaro come collegare la miriade di microscopici fili ai due poli della batteria. E usare fili rivestiti, come hanno fatto loro, va bene in laboratorio ma non sarebbe fattibile a livello industriale.

Ciononostante, lo studio mostra che i nanofili possono davvero essere la strada per incredibili batterie leggere e durevoli!

 

(c) The Munich Eye, all rights reserved.

Foto copertina: Steve Zylius/UCI

Quante volte si può piegare un foglio di carta?

Qualche giorno fa mi sono imbattuto in un divertente articolo. Spinto dalla curiosità, sono finito a scoprire l’origine di una leggenda metropolitana e perfino ad esplorare il significato di essere un fisico.

Continue reading

Gli incredibili polimagneti

Con le calamite possiamo cose che sembrano magiche: spostare oggetti a distanza, fare in modo che due oggetti non si tocchino, anche stringendoli fortissimo.

Sono anche intuitivi: ognuno ha un polo nord e un polo sud, gli opposti si attraggono, mentre poli uguali si respingono. Più in dettaglio, c’è un campo magnetico che collega ogni polo nord al polo sud più vicino, solitamente girando intorno alla calamita.

Un magnete ideale e il suo campo magnetico. CC-BY-SA Geek3, via Commons.

Il campo si indebolisce allontanandosi dal polo, ma l’orientamento resta lo stesso, come si vede facilmente mettendo una calamita sotto un foglio con sopra limatura di ferro.

Limatura di ferro che si allinea al campo magnetico di una calamita.

Quindi due magneti o si attraggono o si respingono, più o meno intensamente, ma sempre allo stesso modo. O almeno così pensavo prima di essere  scioccato da questo video di SmarterEveryDay.

In pratica, c’è un’azienda (Correlated Magnets) che “stampa” piccolissimi magneti (magnetic pixel, o maxel) orientati in vario modo sulla stessa faccia di una calamita, o polimagnete. Quindi il campo magnetico resta sulla stesso lato invece che girare tutto intorno alla calamita, e stampando poli opposti a varie distanze si può regolare il comportamento del polimagnete.

Nel video (dal minuto 5:47), per esempio, mostrano coppie di polimagneti che si attraggono fino ad una certa distanza, poi si respingono, comportandosi come molle. Addirittura ce ne sono alcuni che si attraggono, poi si respingono, poi si attaccano e staccano ruotandoli. WOW!

I polimagneti sono pazzeschi da vedere, ma hanno anche tantissime applicazioni: non avendo parti meccaniche, non si usurano; in più non interferiscono con oggetti elettronici o magnetici (tipo carte bancomat) perché il loro campo magnetico è contenuto.

Correlated Magnets stampa magneti fatti come volete (SmarterEveryDay se n’è fatto fare uno col suo logo, si vede verso la fine del video). Non ho capito come fanno e loro non lo spiegano (segreto industriale suppongo), ma è incredibile.

 

Foto copertina: ferrofluid still 007, CC-BY-NC-ND maurizio mucciola, via Flickr. Some rights reserved.

Cosa hanno in comune le chitarre e il cervello?

La forma delle chitarre non è solo estetica: serve a darle il suo suono. E ci aiuta a capire come funziona il nostro cervello.

Pizzicando la corda di una chitarra, tutta la sua lunghezza viene attraversata da una vibrazione, un fremito. Da una parte, questa vibrazione va a sbattere contro la fine della corda, dall’altra con il dito del chitarrista. In entrambi i casi, rimbalza e torna indietro, andando a scontrarsi con quella che viene dall’altra parte.

Appena si scontrano, le vibrazioni fanno interferenza, e siccome viaggiano molto veloci lungo la corda, presto si stabilizzano in un’onda.

Transient to standing wave.gif
Vibrazioni rimbalzano sul bordo di una corda immaginaria e interferiscono, creando un’onda stazionaria. CC-BY-SA Davidjessop via Commons.

Però questa non è un’onda qualsiasi: la lunghezza del tratto di corda che percorre tra un rimbalzo e l’altro (insieme ad altre cose) le lascia prendere solo alcune frequenze particolari. In particolare, quelle che fanno sì che sembri stare ferma in un posto (e perciò si chiamano onde stazionarie).

Una delle onde stazionarie nel corpo di una chitarra. Credit: Cardiff University

Anche il corpo riceve la vibrazione, e si comporta una specie di grande (e più complicata) corda: la vibrazione gli viaggia attraverso, rimbalza ai bordi e crea un’onda stazionaria.

La combinazione di queste onde è la nota che sentiamo. E tutto questo succede per ogni singola nota che viene suonata.

La forma del corpo, quindi, determina parte del suono.

Stando ad uno studio recente, il nostro cervello fa qualcosa di molto simile: anche a riposo, i neuroni sono sempre impegnati a mandarsi impulsi elettrici, che ci rimbalzano avanti e indietro in testa. Secondo gli scienziati, la geometria della rete dei neuroni fa sì che tra questi segnali si creino interferenze. Così, alcune frequenze vengono “scelte”, mentre le altre vengono smorzate proprio come in una chitarra.

Ognuno ha in testa un raffinato strumento con una voce unica. Che suono ha il vostro?

 

Foto copertina: Live at the O2, Dublin Mark Knopfler, CC-BY-NC-ND Sean Rowe, via Flickr. Some rights reserved.

L’incredibile materiale che estrae acqua dal nulla

Ricercatori di Harvard hanno sviluppato un materiale che, senza reazioni chimiche speciali, raccoglie umidità dall’aria. Usa solo geometrie prese in prestito da scarafaggi, cactus e una pianta carnivora.

Spesso i materiali innovativi si ispirano a geniali soluzioni naturali, ma di solito imitano una caratteristica sola.

Joanna Aizenberg dice che il suo team ha preso un’altra strada: “La nostra ricerca mostra un approccio complesso, che sposa più specie biologiche per trovare materiali altamente efficienti con proprietà senza precedenti”.

Gobbette come quelle sul dorso di uno scarafaggio del deserto sono perfette per formare goccioline. Posizionando le gobbette a “V”, come le spine dei cactus, si guidano le goccioline dove serve, con l’aiuto di una superficie ultra-scivolosa, come quella che alcune piante carnivore usano per intrappolare insetti.

Il materiale (sinistra) a confronto con una normale superficie liscia. Credit: Aizenberg Lab/Harvard SEAS

Il risultato è un materiale che raccoglie l’umidità con efficienza incredibile, usando solo geometrie e proprietà fisiche.

Le applicazioni potrebbero essere pazzesche. Il materiale può migliorare l’efficienza dei condensatori nelle centrali termiche, riducendo l’inquinamento; in più aiuterà a raccogliere acqua in zone desertiche. Mica male.

 

Come fanno le cose ad essere opache

Gli atomi, per la maggior parte, sono vuoti: lo spazio tra il nucleo e gli elettroni è enorme. Ma allora perché non è tutto trasparente? Spoiler: è perché le dimensioni contano.

Il fatto è che, anche se dentro sono molto vuoti, gli atomi sono molto molto piccoli, molto più della lunghezza d’onda della luce visibile. Per un’onda come la luce, distinguere dettagli più piccoli della propria lunghezza d’onda è impossibile. Sarebbe un po’ usare dita troppo grosse per digitare su tasti troppo piccoli, o leggere il Braille indossando guanti da forno.

EM Spectrum Properties it.svg

Credit: Inductiveload, via Wikipedia. Pubblico dominio.

In pratica, per la luce visibile, un atomo è una pallina compatta. Ma allora perché non è tutto opaco? Come fanno le finestre ad essere trasparenti, ma i muri no?*

I fotoni che compongono la luce hanno, ciascuno, una precisa quantità di energia, che possono cedere ad un elettrone quando lo incontrano. Il fatto è che i fotoni non possono cedere solo un po’ di energia, devono dar via tutto il pacchetto. C’è questo bel video che lo spiega molto bene.

Gli elettroni attorno agli atomi sono anche obbligati ad avere particolari e molto specifici livelli energetici. Questo li rende estremamente schizzinosi. perché permette loro di accettare solo i fotoni che portano quel pacchetto con l’esatta energia che serve per il prossimo salto. Né meno, né più. Se l’elettrone accetta il pacchetto, il fotone sparisce (viene assorbito). Se, invece, l’elettrone si rifiuta, la luce rimbalza contro l’atomo e se ne va.

L’energia che portano i fotoni dipende dalla loro lunghezza d’onda: più corta è l’onda, più ha energia. Sicché, la disposizione livelli energetici degli elettroni di un atomo (o di una molecola di più atomi) determina per quale luce è trasparente.

Nel vetro di una finestra, ad esempio, gli elettroni hanno un grosso scalino energetico da scalare, e non si accontentano di fotoni di luce visibile, ma assorbono molta luce ultravioletta, che ha più spinta. Perciò il vetro è trasparente. Gli elettroni del muro intorno alla finestra, invece, sono ben contenti di prendersi anche la luce visibile e non possiamo vedergli attraverso.

Come la bellezza, la trasparenza del mondo è nell’occhio di chi guarda. O almeno nella luce che vede.

Per saperne di più

 

Foto copertina: Galena Window with Horse, CC-BY-NC-ND Terence Faircloth, via Flickr. Some rights reserved.

*Correzione: Originariamente, questo post diceva che era la struttura in cui sono disposte le molecole di materiale a determinare la sua trasparenza. Sebbene la struttura abbia una piccola parte, non è il motivo principale.

Olio accartocciato

Non sempre un foglio accartocciato va buttato. Un gruppo di ricercatori negli Stati Uniti usa palline accartocciate di grafene per migliorare l’olio per i motori.

“Ogni anno milioni di tonnellate di carburante finiscono sprecate per via dell’attrito”, dice Jiaxing Huang della Northwestern University. E questo nonostante usiamo l’olio per lubrificare il motore e ridurre l’attrito nei cilindri e in tutte le parti meccaniche, ma non bastano.

Huang e i suoi colleghi hanno aggiunto all’olio microscopiche palline di grafene. Questo materiale di solito forma sottili strati, da cui i ricercatori hanno ottenuto piccolissimi foglietti che hanno immerso in acqua. Facendo evaporare l’acqua, dice Huang “si genera una forza che accartoccia i foglietti in piccole palline, come quando noi accartocciamo un foglio con le mani”.

Il risultato sono piccoli cuscinetti a sfera che, nei test, hanno migliorato le prestazioni dei lubrificanti di circa il 15%.

L’effetto dipende molto poco dalla concentrazione di palline, perciò non serve neanche starci troppo attenti.

 

Foto copertina: A Crumpled Paper Ball, CC-BY Turinboy, via Flickr. Some rights reserved.

Idee meno trasparenti

Lampadine, computer, stereo, tv, smartphone. Praticamente tutto quello che abbiamo intorno usa elettricità. Molta di questa energia, però, finisce solo per scaldare i dispositivi. Ricercatori del MIT cercano una soluzione.

Una possibile applicazione della ricerca è ridurre il consumo energetico delle vecchie lampadine ad incandescenza. Perciò si legge in giro che questa ricerca resusciterà le lampadine.

Non è proprio così. Secondo Marin Soljacic, autore dello studio, “Poter controllare le emissioni termiche è molto importante. Quello è il reale contributo di questo lavoro”.

Come spiegano in un articolo su Nature nanotechnology, i ricercatori hanno creato un materiale (un tipo di cristallo fotonico) che lascia passare solo alcune lunghezze d’onda della luce. In pratica, il materiale è trasparente per la luce visibile, mentre riflette i raggi infrarossi (ovvero il calore) come uno specchio.

Una possibile applicazione sono dispositivi termo-fotovoltaici: un materiale si scalda fino all’incandescenza, come una lampadina. La luce che emette, poi, viene convertita in elettricità da un pannello fotovoltaico.

Foto di copertina: CC0 Josh Byers, via unsplash.com

La matita di Q

Forgiato al laser, magnetico, più duro del diamante, che crea come sotto-prodotto. Un nuovo tipo di carbonio sembra uscito dai laboratori dei film di 007.

Il carbonio ha molte forme diverse, dalle matite ai diamanti. Un team dell’Università di North Carolina State ne ha scoperta una nuova, chiamata carbonio-Q,  ottenuto scaldando uno strato di carbonio a quasi 4000° usando un laser.

“Usiamo un laser simile a quelli per la chirurgia oculistica—dice Jay Narayan, a capo della ricerca— Perciò […] il processo è relativamente economico”. La produzione, infatti, avviene a pressione e temperatura normali del laboratorio.

Il carbonio-Q è l’unica forma ferromagnetica del carbonio, è estremamente duro ed è un buon conduttore di elettricità. Insomma avrebbe un sacco di applicazioni, ma gli scienziati sono cauti: “Siamo ancora nelle prime fasi di comprensione di come manipolarlo”, dice Narayan.

Intanto, con lo stesso procedimento si possono produrre microscopici diamanti, utili per processi industriali, elettronica, come guida per farmaci.

Foto: Desmond Llewelyn 01, CC BY-SA by Towpilot – Own work, via Wikimedia Commons