Le superfici auto-pulenti

Per secoli abbiamo avuto sotto il naso (almeno quelli di noi che hanno foglie di loto attorno) il segreto per superfici perpetuamente antimacchia. Ma grazie alla fisica stiamo scoprendo come non pulire mai più, non importa cosa rovesciamo.

La chiave di tutto è come fa l’acqua ad attaccarsi, insomma, come fa la roba a bagnarsi.

Le molecole d’acqua sono fatte di idrogeno ed ossigeno. L’ossigeno ama gli elettroni e costringe i piccoli idrogeni che ha attorno a passarglieli. In questo modo la molecola acquista una piccola carica elettrica negativa da un lato ed una positiva dall’altro.

La densità media degli elettroni in una molecola d’acqua. L’ossigeno ci tiene ai suoi ed è avido di quelli degli altri, perciò tende ad avere più carica attorno. credit: Lawrence Livermore Laboratory

Avvicinandosi ad una superficie dal lato dell’ossigeno, la molecola d’acqua spinge un pochino via gli elettroni del materiale della superficie (e l’opposto avviene se si avvicina dal lato dell’idrogeno). La superficie prende temporaneamente una piccolissima carica opposta, che attrae immediatamente l’acqua. Insomma, la roba si bagna per via dell’elettricità.

CC-BY-NC-ND Thomas, via Flickr.

Ma le molecole d’acqua stanno attaccate anche tra loro. Se questa forza è più forte di quella che le attacca alla superficie, si appallottolano in una gocciolina e rotolano via. I materiali che creano questo fenomeno si chiamano idrofobici, che significa “ che temono l'acqua“… anche se sarebbe più corretto dire che è l’acqua a temerli!

Rivestimenti speciali, come quelli delle padelle antiaderenti possono rendere una superficie idrofobica. Ma c’è una via migliore— quella della fisica

Prendete una foglia di loto: è coperta di gobbette e creste, piccole fino a pochi atomi. Le gocce d’acqua non hanno abbastanza contatto da potersi attaccare bene, perché toccano solo la cima di poche gobbette. Semplificando un po’, questo fa sì che la coesione all’interno della goccia “vinca”, tenendola appallottolata. Rotolando via, poi, raccatta tutto lo sporco che trova.

Uno schemino di come una goccia d’acqua sta sulla microstruttura di una foglia di loto.

Studiando queste foglie, gli scienziati hanno scoperto il trucco e l’hanno usato per creare materiali con gobbette e creste simili. Con questi materiali che non si bagnano e non si sporcano mai si possono fabbricare strumenti chirurgici che non si sporcano di sangue o gabinetti che non serve pulire, risparmiando acqua in posti dov’è scarsa.

Per saperne di più
  • Questo post è parte di una serie in corso sulle forze molecolari e come si bagnano le cose. Trovate gli altri episodi qui
  • In realtà, anche la forma delle gocce d’acqua è importante: le foglie di loto, col vapore, si bagnano tantissimo
  • Leggendo in giro ho trovato questo coltello idrofobico che taglia l’acqua. Che figata è?!

 

Foto copertina: CC0 yang pin/pixabay

Malattie idee ed evoluzione

Capita a tutti di ammalarsi. E quando succede, c’è una certa probabilità di trasmettere la nostra malattia agli altri, che poi la trasmetteranno ad altri ancora e così via. Finché non passa l’ondata.

CC-BY Tina Franklin/flickr

Si può descrivere matematicamente come la malattia si diffonde. Per esempio, possiamo scoprire quanto contagioso deve essere un virus perché diventi una vera epidemia, o quali categorie di persone hanno più probabilità di venirci a contatto. O come l’ondata di ammalati spazzerà la popolazione.

Anche i computer spargono virus: qualcuno apre stupidamente un allegato e il loro computer si infetta. Il virus si replica e inizia a tempestare tutti i suoi contatti con email infette per diffondersi. Ma i computer spargono anche un altro tipo di infezione: idee.

Tutti quanti vediamo post e notizie sui social. Qualche volta, poi, condividiamo quello che abbiamo visto coi nostri amici, che potrebbero condividerlo coi loro e così via. Se si diffonde abbastanza, poi, quel puccioso video di gattini che abbiamo condiviso diventa… beh… virale.

Lo stesso modello matematico che descrive genericamente come si diffondono i germi nella rete dei nostri conoscenti lo si può usare pure su reti di computer o i social network. L’idea è esattamente la stessa.

C’è anche un’altra cosa che possiamo diffondere nella nostra popolazione: i nostri geni. Come le malattie e le bufale, anche i geni si spargono (col passare delle generazioni), in continua competizione per accaparrarsi le limitate risorse a disposizione. E come i geni, anche i post accattivanti e i virus mutano ed evolvono, cercando il modo più veloce di moltiplicarsi. Qualunque esso sia.

Prima della follia di PenPineappleApplePen, del Rickrolling, e di Doge—in realtà, molto prima di internet proprio—il famoso biologo Richard Dawkins coniò il termine meme. Descrive proprio quello che sono i memi su internet: “un’unità di imitazione culturale“, un elemento concettuale che si replica e diffonde nella popolazione, come fa un gene.

Sebbene le idee di base sulla diffusione di malattie e idee siano molto vecchi, il mondo reale è—come al solito— più complicato. Perciò matematici e fisici lavorano sodo per trovare descrizioni migliori e più realistiche, con cui difenderci meglio dall’influenza… ma anche dalle bufale.

Per saperne di più
  • Un team italiano ha pubblicato di recente un esempio di queste descrizioni più realistiche: una descrizione efficiente di virus e memi all’interno di intricate popolazioni.
  • Un articolo di uno scrittore un po’ nerd sulle epidemie non può dirsi completo se non si nomina almeno una volta Pandemia
  • Un paio d’anni fa, CGP Grey ha descritto piuttosto in dettaglio come i memi si evolvono su internet

 

Cover photo: CC0 Myriam/pixabay.com

Che diavolo è la fMRI?

Alcune parti del cervello si “accendono” quando proviamo certe emozioni, quando ascoltiamo la musica, o quando risolviamo problemi matematici. Vi sarà sicuramente capitato di imbattervi in notizie simili, visto quanto spesso finiscono sulla stampa. La tecnica che si usa per questi studi (e in tantissimi altri di neuroscienze) si chiama risonanza magnetica funzionale, o fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging), che è una gran figata, ma sembra anche avere qualche problema. Prossimamente se ne sentirà parlare abbastanza, quindi vale la pena di capire cos’è.

Una macchina per la risonanza magnetica. CC-BY-NC Penn State, via Flickr.

Cominciamo dalle basi. La risonanza magnetica (quella che ci fanno se ci facciamo male al ginocchio, per capirci) sfrutta campi magnetici e la risonanza, cioè reazioni inusuali di un oggetto o materiale ad uno stimolo di una particolare frequenza.

Il classico esempio è spingere qualcuno su un’altalena: spingendo ogni volta che l’altalena arriva a fine corsa, la facciamo più in alto che spingendo in momenti a caso. Semplificando (molto), la risonanza magnetica usa onde radio per spingere atomi di idrogeno, che abbondano in tessuti ricchi di acqua o grasso, tipo il cervello.

I nuclei di idrogeno hanno spin, una proprietà che li fa reagire ai campi magnetici come una bussola. La macchina per la risonanza magnetica applica un forte campo magnetico, allineando gli spin degli atomi, che poi colpisce brevemente con un’onda radio. Se la sua frequenza è quella giusta (chiamata frequenza di risonanza), l’onda rovescia lo spin di alcuni atomi (non gli atomi stessi però!).

Appena l’impulso termina, tutto torna com’era e gli atomi rilasciano un po’ di energia. Registrando queste emissioni con un’antenna si possono distinguere tessuti con diverse quantità d’acqua, ad esempio, diverse parti del cervello, generandone un'immagine.

Schema semplificato del funzionamento della risonanza magnetica. Gli atomi (palline rosse) si allineano al campo magnetico verde, finché l’onda elettromagnetica viola non li investe, rovesciando i poli di alcuni. Appena possono, gli atomi tornano al loro stato iniziale e rilasciano l’energia, che viene registrata dall’antenna blu. Credit: howequipmentworks.com

Per la fMRI si registrano velocemente tantissime di queste immagini. Analizzandole tutte è possibile capire quali parti del cervello sono più attive in ogni momento perché sono quelle dove viene indirizzato più sangue ossigenato, che reagisce alla risonanza in modo leggermente diverso da quello che sta lasciando il cervello.

L’operazione, francamente geniale, richiede un sacco di analisi statistica. Secondo alcuni studi recenti, servirebbe molta cautela e un intenso scrutinio dei software che fanno questa parte del lavoro. In uno studio, ad esempio, un salmone morto sembrava reagire quando gli venivano mostrate foto di persone.

Non vuol dire che la tecnica non sia valida, ma solo che bisogna stare attenti a cosa succede. Questi studi sono importantissimi per la ricerca, perché ci fanno identificare problemi ed errori.

Solo così possiamo essere sicuri di quello che stiamo facendo e di sfruttare appieno i risultati di tecniche spettacolari come la fMRI.

Per saperne di più

 

Foto copertina: SumaLateral Whole Brain Image, CC-BY NIH Image Gallery, via Flickr. Some rights reserved.