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Nobel per la fisica 2018, perché hanno vinto i laser

Ad Ashkin, Moureau e Strickland il premio Nobel per la fisica 2018 “per i loro studi innovativi nel campo della fisica dei laser”. Ecco perché sono importanti

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Ha vinto, dunque, la luce. La Royal Swedish Academy of Sciences ha assegnato il premio Nobel per la fisica 2018 ad Arthur Ashkin, dei Bell LaboratoriesGérard Mourou, della University of Michigan, e Donna Strickland, della University of Waterlooper i loro studi rivoluzionari nel campo della fisica dei laser. I tre inventori, spiegano da Stoccolma, hanno cambiato per sempre la fisica dei laser, permettendo di osservare, sotto una nuova luce (sic!), oggetti microscopici e processi rapidissimi: lo sviluppo di laser sempre più potenti e avanzati ha permesso infatti di mettere a punto strumenti di precisione che hanno spianato la strada verso aree di ricerca inesplorate e che hanno (e avranno) innumerevoli ricadute nel campo industriale e medico, oltre che nella fisica di base. Chi sono i vincitori  
(immagine: Nobel Prize)
Cominciamo dal raccontare chi sono i protagonisti di questa giornata. Arthur Ashkin, cui è andata la prima metà del premio, è uno scienziato statunitense classe 1922 che si è formato alla Columbia University e alla Cornell University. Fin dagli anni sessanta ha lavorato alla manipolazione di particelle mediante luce laser, inventando le cosiddette pinzette ottiche, uno strumento che – come suggerisce il nome – consente di acchiappare e manipolare molto precisamente, con la luce, particelle microscopiche come atomi, molecole e cellule biologiche. Ashkin, inoltre, si può considerare quasi un Nobel doppio: il suo lavoro, infatti, ha fornito le basi per gli studi sul raffreddamento e intrappolamento degli atomi condotti da Steven Chu, insignito del Nobel per la fisica nel 1997. Membro di innumerevoli società scientifiche, Ashkin ha lavorato per quarant’anni, fino al 1992, nei Bell Laboratories, per poi continuare, come ha lui stesso raccontato, a “lavorare da casa”. Gli altri due premiati, cui va ¼ del riconoscimento, sono Gérard Mourou e Donna Strickland. Mourou è uno scienziato francese che lavora per la University of Michigan, per la École Polytechnique di Palaiseau e per altri istituti di ricerca, co-inventore (insieme a Strickland, per l’appunto) della cosiddetta chirped pulse amplification (Cpa), una tecnica che permette di amplificare un impulso di radiazione elettromagnetica. Mourou ha inoltre inventato, nel 1994, una tecnica per evitare la divergenza dei fasci laser, sfruttando e combinando i fenomeni della diffrazione e della rifrazione. Strickland – la terza donna al mondo, dopo Marie Curie e Maria Goeppert-Mayer, a ricevere il Nobel per la fisica – è una ricercatrice canadese in forza alla University of Waterloo. Si è laureata in ingegneria fisica alla McMaster University e ha completato il dottorato di ricerca alla University of Rochester. Fu proprio durante il periodo di dottorato che lavorò, insieme a Mourou, alla chirped pulse amplification, il tema per cui le è stato assegnato il massimo riconoscimento. Attualmente dirige un gruppo di ricerca che si occupa di laser ultraveloci e ad alta intensità per studi nel campo dell’ottica nonlineare. Intrappolamento ottico Tutto parte da un’idea apparentemente visionaria: usare la luce per manipolare gli oggetti (inevitabile pensare al raggio traente di Star Trek). D’altronde, come sappiamo bene quando ci esponiamo al sole, la luce porta energia: e dunque, perché non provare a usare questa energia per afferrare, spingere e tirare oggetti microscopici? Detto, fatto: subito dopo l’invenzione del primo laser, negli anni sessanta, Arthur Ashkin si rese conto che le caratteristiche dei fasci laser (in particolare il fatto che si trattasse di luce coerente, cioè con differenze di fase costanti, e che i fasci stessi fossero estremamente focalizzati) li rendevano adattissimi a interagire con particelle microscopiche. Cominciò subito a giocare con lo strumento, rendendosi conto che effettivamente la pressione esercitata dai laser era sufficiente per muovere piccole sferette e che le sferette erano in qualche modo attirate verso il centro del fascio, dove l’intensità della luce era maggiore. Ashkin si rese conto che si poteva sfruttare questo fenomeno per costringere le sferette a muoversi dove si voleva semplicemente usando delle lenti che focalizzassero in un punto specifico la massima intensità del fascio. Nacquero così le prime trappole ottiche, o, se si preferisce, pinzette ottiche. Uno strumento economico, veloce e soprattutto precisissimo, che permise, negli anni a seguire, di manipolare addirittura singoli atomi (ci si riuscì nel 1986, dopo aver risolto una serie di complicazioni tecniche) e soprattutto sistemi biologici: nel corso di diversi esperimenti condotti su virus, batteri e cellule viventi Ashkin mostrò che le pinzette ottiche consentivano una manipolazione che, oltre ad essere precisa, era completamente non invasiva, e consentiva per esempio di afferrare il nucleo di una cellula senza distruggerne la membrana. Impulsi cortissimi e potentissimi Veniamo all’altro breakthrough, quello relativo all’invenzione della chirped pulse amplification. Negli anni ottanta, Donna Strickland era una dottoranda della University of Rocchester. Il suo supervisor era il professor Gérard Mourou, e i due lavoravano nel laboratorio di ottica dell’ateneo statunitense. In quel momento, la fisica dei laser sembrava essere arrivata a un binario morto: in sostanza, gli impulsi laser vengono generati con una reazione a catena in cui le particelle di luce, interferendo con sé stesse in una cavità che le amplifica, ne generano di nuove. Si riteneva fosse impossibile aumentare ancora l’intensità della luce prodotta senza distruggere il materiale della cavità. Strickland e Mourou riuscirono a superare il problema, ideando una tecnica che permetteva di allungare la durata temporale di un singolo impulso laser, amplificarne l’intensità e quindi rallentarlo di nuovo. Il trucco sta nel fatto che quando si aumenta la durata di un impulso la sua potenza di picco è molto più bassa, e quindi è possibile amplificarlo senza danneggiare l’amplificatore: una tecnica semplice ed elegante. E soprattutto efficace: nel 1985 il primo dispositivo superò la prova del laboratorio, rivoluzionando completamente la fisica dei laser e aprendo la strada a nuove applicazioni in fisica, chimica e medicina. Tante applicazioni Le pinzette di Ashkin, nel corso degli anni, sono state utilizzate in moltissimi campi: è stato possibile, per esempio, studiare diversi processi biologici tra cui il comportamento delle proteine, i cosiddetti motori molecolari, le caratteristiche del dna e la vita interna delle cellule. Uno dei campi più recenti, e promettenti, è quello della cosiddetta olografia ottica, in cui si usano contemporaneamente migliaia di pinzette, per esempio, per separare le cellule del sangue sane da quelle infette, il che potrebbe essere molto utile nella lotta alla malaria e ad altre malattie. Stesso discorso per la Cpa, che ha permesso, tra le altre cose, di realizzare la telecamera più veloce al mondo – che funziona grazie a impulsi laser della durata di pochi femtosecondi, un milionesimo di miliardesimo di secondo – e trivelle microscopiche precise e potentissime, con le quali è stato possibile bucare, letteralmente, atomi, molecole e cellule viventi. Ma, assicurano gli esperti, il meglio deve ancora venire.

Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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Fisica

Da una pulsar binaria un’altra conferma alla teoria di Einstein

Una nuova osservazione ha confermato l’effetto Lense-Thirring, un effetto di trascinamento dello spazio-tempo da parte delle masse in rotazione previsto dalla teoria della relatività generale: si tratta in questo caso di un sistema binario di stelle massicce, che emette radiazione elettromagnetica pulsata. E’ la prima verifica del fenomeno ottenuta con un sistema di tipo stellare

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Ilustrazione dell'effetto Lense-Thirring misurato nello studio (©Mark Myers, OzGrav ARC Centre of Excellence)
L’ennesima conferma sperimentale della teoria della relatività generale di Einstein viene dallo studio di una pulsar, un sistema binario di stelle massicce che emette una radiazione pulsante, condotto da Matthew Bailes,dell’ARC Centre of Excellence of Gravitational Wave Discovery (OzGrav) e colleghi, che firmano un articolo su “Science”.

Uno dei fondamenti di questa teoria è che le tre dimensioni spaziali e la dimensione temporale sono considerate un tutt’uno, uno spazio-tempo quadridimensionale. E lo spazio-tempo viene deformato dalle masse proporzionalmente alla loro entità. Si può immaginare questo effetto pensando a una palla da biliardo posata sul lenzuolo steso su un letto. Se poi si posa sul lenzuolo una seconda massa, una palla da golf per esempio, quest’ultima si avvicinerà alla prima cadendo nella deformazione che ha creato. Questo è in sintesi il modello della gravitazione rappresentato dalla teoria einsteiniana, pubblicata nel 1916.

Già qualche anno dopo, due matematici austriaci josef Lense e Hans Thirring, trovarono un’interessante conseguenza della relatività generale. Secondo le leggi contenute nella teoria, una massa in rotazione su se stessa avrebbe dovuto trascinare con sé lo spazio-tempo, con un effetto lieve ma comunque rilevabile, in linea di principio.

Il fenomeno, chiamato effetto Lense-Thirring, o effetto di trascinamento, è stato rilevato sperimentalmente negli anni 2000 per quanto riguarda l’ambiente intorno alla Terra grazie ai satelliti LAGEOS, anche se con un’incertezza sperimentale ancora non soddisfacente, considerata anche l’esiguità della massa del nostro pianeta. In questi casi, si misura il fenomeno di precessione dell’asse di rotazione giroscopi dei satelliti, dovuto proprio all’effetto Lense-Thirring.

Il trascinamento è però molto più evidente nel caso di oggetti molto massicci che si trovano nel cosmo. L’ha dimostrato nel 2016 un gruppo internazionale di ricerca guidato da Adam Ingram, dell’Università di Amsterdam, nel caso del disco di accrescimento di un buco nero indicato dalla sigla H1743-322, grazie alle osservazioni condotte con i telescopi spaziali per raggi X XMM-Newton dell’ESA e NuSTAR della NASA.

Quasi 20 anni fa, il gruppo di Bailes iniziò ad osservare con il radiotelescopio CSIRO Parkes 64 un sistema binario chiamato PSR J1141-6545, formato da due stelle che ruotano l’una attorno all’altra a velocità sorprendenti. Uno dei due oggetti è una nana bianca, delle dimensioni della Terra ma 300.000 volte più densa. L’altra è una stella di neutroni che, con un diametro di soli 20 chilometri, è circa 100 miliardi di volte la densità della Terra. Ciò significa che l’effetto Lense-Thirring è 100 milioni di volte più intenso, e rappresenta quindi un’occasione unica per studiare gli effetti della relatività generale.

Dato il rapido regime di rotazione, i sistemi binari di questo tipo appaiono come una radiazione elettromagnetica pulsata, e vengono anche indicati per questo pulsar. Misurando con estrema precisione la frequenza di pulsazione, gli astrofisici possono ricavare i parametri orbitali del sistema, e da ciò calcolare la precessione del loro asse di rotazione. Dopo aver eliminato tutti i possibili fattori che possono influenzare questa precessione, Bailes e colleghi hanno misurato il contributo relativistico, risultato in buon accordo con le previsioni della teoria di Einstein. Il successo della ricerca, sottolineano gli autori, è che si tratta della prima conferma dell’effetto di Lense-Thirring ottenuta con un sistema di tipo stellare.



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Come estrarre ossigeno dalla polvere lunare

L’Agenzia spaziale europea è riuscita nell’impresa: ha creato un prototipo di impianto di estrazione dell’ossigeno dalle polveri lunari. Un passo importante per futuri viaggi spaziali e per aumentare la durata della permanenza umana sul satellite

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Rappresentazione artistica di una possibile base di attività sulla Luna (foto: Esa)
Ormai è certo: nel 2024 torneremo sulla Luna ed ora è aperta la caccia ai turisti dello spazio che accompagneranno il primo privato cittadino che andrà sulla Luna, il milionario giapponese Yusaku Maezawa. Ma i motivi per studiare la luna e la sua composizione sono tanti e non riguardano solo i viaggi spaziali. L’Agenzia spaziale europea (Esa) ha già pianificato una missione che avrà l’obiettivo di studiare la possibilità di riuscire a estrarre alcuni elementi, come ossigeno e acqua, naturalmente presente nel suolo, o meglio nella regolite, una sorta di polvere che ricopre la Luna. Oggi, l’Esa informa che ha messo a punto un prototipo per estrarre l’ossigeno dalle polveri lunari. Ecco perché è un risultato importante.

Polveri lunari per ottenere ossigeno

La regolite è un materiale granuloso presenti sul suolo lunare – e non solo, si trova anche sulla Terra, su Marte, su altri pianeti, asteroidi e lune. Questo materiale è composto da polveri, detriti, frammenti di rocce e gas, e si è formata in seguito all’impatto di meteoroidi piccoli e spessi, al bombardamento costante di frammenti di materiale celeste. I campioni lunari riportati a terra dalle missioni hanno mostrato che questa polvere è abbondante e per questo sceglierla come candidato per produrre ossigeno potrebbe essere una scelta valida.

Poter ottenere ossigeno dalle polveri lunari potrebbe favorire i futuri viaggi e la nostra permanenza sulla Luna, un tema sempre più attuale. Per questo gli scienziati si sono già messi all’opera e un gruppo guidato dall’università di Glasgow ha recentemente spiegato come procedere.

Un nuovo impianto

Oggi l’Esa annuncia di aver messo a punto un impianto per estrarre l’ossigeno dalle polveri lunari. “Avere la nostra strumentazione ci permette di concentrarci sulla produzione di ossigeno”, commenta Beth Lomax dell’università di Glasgow, “misurandolo con uno spettrometro di massa non appena estratto dal ‘simulante’ di regolite”. Il simulante di regolite è un materiale terrestre che serve per creare un composto quanto più possibile somigliante alla regolite e che è utile per gli esperimenti e per studiare le possibili condizioni di permanenza sulla luna.

L’estrazione dell’ossigeno dalla polvere di Luna

Inizialmente l’ossigeno generato nel processo veniva rilasciato come biossido di carbonio e monossido di carbonio. “Questo significa che i reattori non sono progettati per resistere all’ossigeno stesso”, spiega Lomax, che racconta che gli scienziati hanno riprogettato una nuova versione per avere ossigeno libero da misurare. Il nuovo impianto è anche silenzioso e l’ossigeno viene scaricato in un tubo apposito. Verrà poi accumulato non appena i ricercatori realizzeranno il prossimo aggiornamento delle apparecchiature.

Per ottenere l’ossigeno i ricercatori si sono serviti dell’elettrolisi per separare l’idrogeno e l’ossigeno che compongono una molecola d’acqua. Il tutto avviene attraverso la presenza di cloruro di calcio, che funge da elettrolita, riscaldato a 950 °C. La separazione è avvenuta e l’ossigeno è stato estratto.

“Il processo di produzione lascia dietro di sé un groviglio di metalli diversi”, aggiunge Alexandre Meurisse, ricercatore dell’Esa, “e questa è un’altra linea di ricerca importante per vedere quali sono le leghe più utili che potrebbero essere prodotte a partire dal materiale e quali applicazioni potrebbero avere”. La precisa combinazione di metalli, specifica l’esperto, potrebbe dipendere dal punto in cui vengono raccolte le polveri lunari, dato che ci potrebbero essere importanti differenze.

Verso la Luna e Marte

L’obiettivo finale, concludono i ricercatori, potrebbe essere realizzare un impianto simile direttamente sulla Luna, così da avere direttamente ossigeno disponibile. “Stiamo spostando il nostro approccio ingegneristico verso la possibilità di un uso sistematico delle risorse lunari in situ”, conclude Tommaso Ghidini dell’Esa, “per fornire un metodo operativo ideale e tecnologie essenziali come questa, affinché sia possibile la presenza umana sulla Luna e un giorno forse anche su Marte.



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Arriva il primo “robot vivente”, creato con cellule staminali

Deriva da cellule staminali di rana, il nuovo robot vivente non è né una macchine tradizionale né una nuova specie animale. Ecco cos’è e perché potrebbe essere molto utile in medicina e per combattere l’inquinamento

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In futuro i robot saranno sempre più spesso ispirati alle nostre caratteristiche biologiche. Ma oggi il mondo delle tecnologie ci stupisce con una proposta finora inedita: un gruppo di ricerca ha creato un nuovo prototipo che non solo prende ispirazione dalla biologia ma che  è interamente costituito da materiale biologico. I creatori, dell’università del Vermont e di Tuft, parlano per questo di robot vivente, primo nel suo genere, una macchina minuscola, per niente somigliante all’idea che abbiamo di robot – quella dell’automa. Le applicazioni potrebbero riguardare diversi campi, dalla ricerca delle contaminazioni radioattive ad usi clinici. I risultati sono pubblicati su Proceedings of the National Academy of Sciences.

Negli anni scorsi ci sono stati dei tentativi anche di successo di creare organismi viventi semi-sintetici. In questo caso parliamo di un oggetto molto diversi, come spiegano gli scienziati, che hanno progettato e realizzato la “prima macchina biologica interamente messa su a partire dal nulla”, o meglio da cellule. I ricercatori la hanno chiamata xenobot perché deriva dall’elaborazione di cellule staminali della rana africana Xenopus laevi, spesso utilizzata come modello animale nella ricerca in biologia. “Il dna dell’organismo realizzato è al 100% quello della rana”, specifica Michael Levin, uno dei due coordinatori dello studio, ricercatore all’università di Tuft, “ma non è una rana”“Non sono né robot tradizionali né nuove specie animali”, sottolineano i ricercatori, che chiariscono che si tratta di nuova classe di artefatti, oggetti artificiali che sono organismi viventi e programmabili.

Gli scienziati hanno progettato i nuovi robot con i supercomputer dell’università del Vermont e poi li hanno assemblati e testati all’università Tuft. Prima hanno prelevato le cellule staminali dagli embrioni di rana, separate in singole cellule e fatte crescere in laboratorio, in una sorta di incubatrice per farle moltiplicare e differenziare in tessuti diversi. Successivamente le hanno tagliate e aggiuntate attraverso l’uso di un microscopio per ottenere il design desiderato, selezionato col computer. In questo modo, si sono formate delle cellule dalla forma inedita in natura che hanno cominciato a funzionare e lavorare insieme. Qui il video.

La loro forma è quasi sferica. La pelle ha un’architettura abbastanza statica, mentre il muscolo cardiaco è più attivo: le sue contrazioni sono tali da generare movimenti ordinati, che seguono quanto scelto in base alla progettazione del computer. In pratica si tratta di materia vivente assemblata e programmata per lavorare in un determinato modo, selezionato dagli autori.

I risultati mostrano che questi organismi si muovono in modo coerente e che possono spostarsi e sondare l’ambiente acquoso in cui si trovano per giorni o settimane. Tuttavia, anche loro falliscono: se si ribaltano somigliano a coleotteri capovolti che non sono più in grado di muoversi. Inoltre, gli autori hanno osservato che si spostano creando un cerchio e alcuni sono stati progettati per creare una struttura con un buco al centro. “È un passo avanti verso l’uso di organismi creati dal computer per l’invio intelligente di farmaci”, ha spiegato Joshua Bongard dell’università del Vermont, che sottolinea che sono completamente biodegradabili e una volta aver assolto al loro compito, dopo una settimana, sono solo cellule di pelle morta.

Ma molti sono preoccupati dei possibili sviluppi. “Questa paura non è irragionevole”, aggiunge Levin. E “questo studio fornisce un contributo diretto per comprendere meglio ciò di cui le persone hanno paura, ovvero le conseguenze indesiderate”. Se inizieremo a manipolare sistemi complessi che non conosciamo, spiega l’esperto, potremmo avere esiti inattesi e non desiderati. Per questo capire in che modo la complessità emerge da sistemi semplici sarà una sfida fondamentale del futuro.



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