Cosa è e quali sono le applicazioni della rilassometria NMR?

Più volte ho citato la tipologia di lavoro di ricerca che faccio all’università. La tecnica di cui sono diventato esperto, dopo aver lavorato per tanto tempo sulla spettroscopia di risonanza magnetica nucleare in fase liquida e solida, è la cosiddetta rilassometria NMR a ciclo di campo (fast field cycling NMR relaxometry). Questa tecnica aiuta a capire la dinamica molecolare di tantissimi sistemi chimici. In altre parole, aiuta a capire come si muovono le molecole in diverse situazioni fisiche. Per esempio, si può capire come si muovono i nutrienti vegetali nei suoli, come si comportano i contaminanti ambientali per arrivare anche alla definizione di parametri innovativi che possono misurare (ovvero quantificare) l’erosione dei suoli.

Tutto questo, e altro ancora, è stato spiegato in un webinar sulla rilassometria NMR patrocinato dalla Stelar srl e dalla COST Action CA15209: ”European Network on NMR Relaxometry il 29/05/2020.

Se avete una quarantina di minuti liberi e volete sapere di più, potete ascoltare cliccando sull’immagine qui sotto

Fonte dell’immagine di copertina

Lettera aperta ad Enrico Montesano

Avete presente le dichiarazioni di Enrico Montesano, indimenticabile protagonista di uno dei film più trash degli anni ’70 dal titolo “Febbre da cavallo”, in merito alle mascherine che dobbiamo indossare per proteggerci dal virus del Covid-19? Riporto dai giornali (qui, qui e qui, per esempio):

Le mascherine che oggi vengono usate ci fanno respirare la nostra anidride carbonica.

Ecco. È proprio per questa affermazione che desidero scrivere una lettera aperta ad Enrico Montesano.

_______________________________________________________________

Caro Enrico,

nonostante la differenza di età che ci contraddistingue o, forse, proprio per quella, mi permetto di darti del “tu” perché quando ero un bambino e poi un adolescente sei stato uno dei comici che più mi hanno messo di buon umore. Sebbene “Febbre da cavallo” io lo giudichi un trash, non posso negare che è uno dei miei film preferiti perché ogni volta che lo riguardo mi proietto in un’epoca in cui ero molto più spensierato di adesso.

Caro Enrico, quando fai certe affermazioni e citi certi figuri dei quali ti fidi in merito a problemi di ordine sanitario, non ci fai una bella figura. Ovviamente sei libero di credere in chi ti pare, ma non puoi aspettarti, poi, il rispetto che meriteresti come attore quando entri in un campo della conoscenza che non ti compete. Anche se dici di informarti, penso che le tue fonti non siano esattamente attendibili.

Lasciando perdere tutte le sciocchezze che hai detto in merito al Covid-19 ed alle mascherine, mi voglio soffermare solo su quello che hai detto in merito all’anidride carbonica. Naturalmente, come dicevo sopra, sei libero di credere in chi ti pare e ritenere che io dica sciocchezze. L’unica cosa è che le mie “sciocchezze” sono verificabili, mentre le tue e quelle dei figuri che citi non lo sono per il semplice motivo che sono ben lontane dalla realtà.

Andiamo più nel merito.

Le mascherine che indossiamo non ci fanno respirare la nostra anidride carbonica nelle normali condizioni in cui le usiamo. Vediamo perché.

Ho già scritto in merito al meccanismo di funzionamento delle mascherine. Basta cliccare qui sotto

Come funzionano le maschere filtranti

In questo articolo ho messo in evidenza che le dimensioni dei pori delle mascherine sono dell’ordine dei micrometri. Prendiamo solo i pori più piccoli delle mascherine più efficaci: 0.2 μm, ovvero la 0.2 milionesima parte del metro, in altre parole 0.2 x 10-6 m. Sembra una dimensione molto piccola, vero Enrico?

Ed ora ti invito a scaricare un programmino di chimica computazionale che io uso sul tablet. Si chiama WebMO. La versione per iPad che uso io costa solo circa 5 €. Non penso che l’acquisto sia impossibile per te. Grazie a questo programmino è possibile disegnare la molecola di anidride carbonica e studiarla in tutte le sue caratteristiche. È un programmino estremamente intuitivo e facile da usare. Superato il panico di chi non conosce la chimica vedrai che lo apprezzerai molto.

Ebbene, caro Enrico, grazie a questo programmino, la molecola di anidride carbonica è quella che ti riporto qui sotto:

Ho evidenziato gli atomi di ossigeno e di carbonio in modo da permettere al programmino di fornire la distanza tra questi due atomi. Come leggi in basso, la distanza è circa 1.275 Å, ovvero 1.275 x 10-10 m. Se consideriamo, in prima approssimazione, la molecola di anidride carbonica in continua rotazione, possiamo considerarla come una sfera del diametro pari a 2 x 1.275 x 10-10 m, ovvero una sfera del diametro di 2.550 x 10-10 m.

Adesso, come si faceva alle scuole elementari, facciamo il rapporto tra le dimensioni di un poro di una mascherina e quella del diametro della sfera suddetta:

0.2 x 10-6 m/2.55 x 10-10 m = 784

In altre parole, mio caro Enrico, il poro più piccolo della mascherina più efficace è circa 800 volte più grande della molecola di anidride carbonica.

Sai cosa vuol dire questo?

Leggo da Wikipedia che tu sei alto 1.73 m. Se immagini di essere la molecola di anidride carbonica, devi moltiplicare la tua altezza per 784 ed ottieni la larghezza del tunnel nel quale decidi di passare. Si tratta, cioè, di un tunnel la cui larghezza è di circa 1356 m, ovvero 1 km e circa 400 m. Non mi vorrai mica far credere che non riesci ad attraversare un buco di questa larghezza?

Capisci, adesso, caro Enrico, perché hai detto una sciocchezza sesquipedale?

Ti saluto affettuosamente ricordando sempre con enorme piacere, oltre che tanta nostalgia per il tempo passato, i tuoi film ed il tuo famoso Rugantino.

Tuo,

Rino

Fonte dell’immagine di copertina

Dubbi sul vaccino anti-Covid russo

Recentemente è apparso su The Lancet, autorevole rivista scientifica di carattere medico, un lavoro che illustra l’efficacia di un vaccino anti-Covid sviluppato da ricercatori russi. Il lavoro è disponibile qui. Tuttavia, dall’analisi dei dati riportati nel lavoro, sono venuti fuori alcuni limiti che fanno dubitare della serietà del lavoro. È per questo che alcuni scienziati, tra cui il sottoscritto, si sono fatti latori di una lettera aperta in cui chiedono di poter analizzare i dati bruti da cui sono state ottenute le figure che sembrano artefatte.

La lettera è disponibile cliccando sulla figura qui sotto


La stessa lettera è stata pubblicata su Il Foglio (qui)

Dormire nella stazione spaziale ISS

Oggi ero in auto. In genere mentre guido ascolto la radio. In uno dei tanti zapping veloci, mi capita di ascoltare un programma in cui l’ospite è un astrofisico. Questi parla della stazione spaziale ISS e della vita che si conduce a bordo.

Stazione spaziale ISS (Fonte)

Ciò che mi ha colpito moltissimo è stata la descrizione del come dormono gli astronauti.

Sapete che quando dormono in condizioni di assenza di peso, gli astronauti devono trovarsi in un ambiente con ottima aerazione?

La domanda vi sembrerà banale, ma ogni volta che ascolto notizie scientifiche mi trovo ad essere come un bambino di fronte ad un giocattolo. Anche se già lo conosce perché lo ha usato altre volte, lo guarda con meraviglia e pensa a cosa si possa ancora nascondere in quei meccanismi che ha visto centinaia di volte.

In effetti, siamo così abituati a vivere sulla Terra che neanche ci rendiamo conto che la vita in condizioni chimico-fisiche differenti richiede delle attenzioni particolari senza le quali essa non potrebbe esistere.

Quando ci sentiamo stanchi ed andiamo a letto, ci addormentiamo ma non per questo smettiamo di vivere. Continuiamo a respirare. Durante questa azione inspiriamo ossigeno ed espiriamo anidride carbonica. L’aria che circonda il nostro corpo, inclusa quella ricca di anidride carbonica che esce mentre respiriamo, è calda. Per questo motivo, si generano delle correnti convettive grazie alle quali l’aria calda (e per questo meno densa, ovvero più leggera) ricca di anidride carbonica che espiriamo si allontana verso l’alto venendo sostituita da aria fredda e più ricca di ossigeno.

Nelle condizioni di microgravità presenti nella stazione spaziale ISS, questi moti convettivi non si realizzano perché la microgravità porta ad assenza di peso e, quindi, non esistono zone di aria più leggere rispetto ad altre. La conseguenza è che durante il sonno, la testa degli astronauti viene circondata da una nuvola di anidride carbonica. Senza una corrente d’aria artificiale come, per esempio, quella generata da un ventilatore, la nuvola anzidetta non si disperderebbe turbando il sonno degli astronauti o, addirittura, portando alla morte, nel caso più drammatico.

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FONTE DELL’IMMAGINE DI COPERTINA

Oli, sali e zuccheri

Oggi ho trovato una bella sorpresa on line. La C1V edizioni ha reso disponibili le presentazioni fatte nel 2018 in occasione del secondo Convegno Nazionale Medicina e Pseudoscienza (CNMP).  Durante il convegno ho fatto una lunga lezione divulgativa sulle false informazioni in merito agli oli, ai sali ed agli zuccheri. Qualche mese dopo avrei pubblicato “Frammenti di Chimica” in cui si trovano molte delle cose che ho detto in quel convegno.
Se volete divertirvi ad ascoltarmi, qui sotto ci sono i miei tre interventi.

Prima parte

Seconda parte

Terza parte

In realtà il congegno del 2018 è stato molto ricco. Hanno partecipato tutti gli scienziati attivi nella lotta alle bufale: da Silvio Garattini a Piero Angela, da Roberto Burioni a Francesco Galassi e tanti tanti altri. Se volete fare un viaggio nel tempo e partecipare al convegno, potete iscrivervi al canale YouTube della C1V e ascoltare tutte le presentazioni. Basta cliccare sull’immagine qui sotto.

 

La chimica-fisica nell’esplosione di Beirut

Ieri, 4 Agosto 2020, siamo tutti stati testimoni, grazie alle immagini che ci sono giunte attraverso i vari canali internet, della esplosione che ha fatto tanti morti e feriti in Libano. Qui sotto un filmato preso da YouTube in cui si vedono diverse prospettive dell’esplosione.

Questo articolo non vuole essere di carattere politico, né avallare alcuna ipotesi sulle cause dell’esplosione. In questa sede voglio solo prendere in considerazione la chimica-fisica che c’è stata dietro l’esplosione attribuita da diverse fonti giornalistiche al nitrato di ammonio.

il nitrato di ammonio è ben noto come fertilizzante.

Come fertilizzante, il nitrato di ammonio (NH4NO3) è veramente efficiente. Si tratta di un sale con una solubilità in acqua, a 20°C, di circa 1900 g per litro . Quando viene disposto sul suolo, esso si scioglie nella soluzione circolante (ovvero l’acqua che è lì presente) dissociandosi in anione nitrato (NO3) e catione ammonio (NH4+).

Dei due ioni, il nitrato, la forma di azoto direttamente disponibile per la nutrizione vegetale, può essere perso facilmente per lisciviazione, mentre l’ammonio rimane legato ai colloidi del suolo e si può perdere per volatilizzazione attraverso la sua conversione in ammoniaca. La sua maggiore capacità di rimanere legato ai colloidi del suolo dà il tempo ai microorganismi di poterlo convertire in nitrato e, quindi, renderlo disponibile per le piante.

Ma non è certo per una lezione sui fertilizzanti che sto scrivendo questo post.

Il nitrato di ammonio si decompone termicamente a protossido di azoto (N2O) e acqua fino a una temperatura di circa 250 °C:

NH4NO3 → N2O + 2 H2O

Al di sopra di questa temperatura avviene un’altra reazione:

2 NH4NO3 → O2  + 2 N2 +  4 H2O

Come si vede, entrambe le reazioni producono dei gas (N2O, N2 e O2). Anche l’acqua riportata nelle reazioni anzidette non si presenta in forma liquida, ma sotto forma di vapore alle temperature ben al di sopra dei 100 °C che servono per innescare le reazioni descritte.

Adesso facciamo due conti facili facili e cerchiamo di capire quanto gas si produce.

Se partiamo da 1.00 g di nitrato di ammonio, corrispondenti a 0.0125 mol, si ottengono, dalla prima reazione, il medesimo numero di moli di protossido di azoto (che corrispondono a 0.550 g di prodotto) e il doppio delle moli di acqua, ovvero 0.450 g di acqua sotto forma di vapore.

Se la temperatura aumenta oltre i 250 °C, dalla seconda reazione si ricava che 1.00 g di nitrato di ammonio si trasforma in 0.350 g di azoto molecolare, 0.200 g di ossigeno molecolare e 0.450 g di acqua sotto forma di vapore.

Su tutti i giornali si legge che la quantità di nitrato di ammonio stoccata nel porto di Beirut fosse di circa 3000 ton, ovvero 3 x 109 g (si legge 3 miliardi di grammi). È facile, a questo punto, calcolare che se la prima reazione (quella in cui si produce protossido di azoto e acqua) fosse stata l’unica responsabile della deflagrazione, si sarebbero ottenuti circa 1.4 x 103 tonnellate di acqua e circa 1.6 x 103 tonnellate di protossido di azoto. Se, invece, solo la seconda reazione fosse stata responsabile della deflagrazione si sarebbero ottenuti circa 1.4 x 103 tonnellate di acqua, 1.0 x 103 tonnellate di azoto molecolare e circa 0.6 x 103 tonnellate di ossigeno molecolare.

È intuitivo pensare che entrambe le reazioni abbiano avuto luogo, assieme a tante altre di cui però non si conosce la natura (per esempio, c’erano tubazioni di gas? oltre al nitrato di ammonio quante altre sostanze potenzialmente esplodenti potevano essere presenti? etc. etc.). In definitiva, provate a comprimere in uno spazio ristretto come quello di un capannone o di un deposito, dove sono già presenti altri gas, ovvero quelli atmosferici, le tre tonnellate complessive di gas ad alta temperatura ed in espansione e vi renderete conto del perché si è avuto l’effetto devastante osservato nel filmato che ho messo all’inizio dell’articolo.

Ma facciamo parlare i numeri.

La temperatura sviluppata durante la detonazione del nitrato di ammonio è all’incirca di un migliaio di gradi centigradi (Fonte). Considerando il numero totale di moli dei diversi gas sviluppati ed applicando banalmente la legge dei gas ideali (per avere solo qualitativamente idea della forza per unità di superficie sviluppata durante l’esplosione) si ottiene una pressione di circa 1.1 x 104 atm.  Per darvi solo un’idea di cosa significhi una pressione del genere, immaginate di scendere sott’acqua. Ogni 10 m, la pressione esercitata dalla massa di acqua che circonda il vostro corpo aumenta di una atmosfera. Per arrivare a circa 11000 atmosfere dovete scendere a una profondità approssimativa di circa 110 km. Il punto più profondo che si conosca è la fossa delle Marianne a circa 11 km dalla superficie dell’oceano Pacifico. La fossa delle Marianne è individuata dal puntino rosso che vedete in Figura 1.

Figura 1. Fossa delle Marianne. La sua profondità è di circa 11 km

Impressionante!

Il fungo “atomico”.

Qualcuno ha paragonato il fungo bianco che si osserva nel filmato all’inizio dell’articolo a quello prodotto da un’esplosione atomica. In realtà le cose stanno diversamente.

Un’esplosione atomica sarebbe stata seguita da una contaminazione radioattiva che avrebbe messo in allarme tutti i paesi nelle vicinanze del Libano, inclusa l’Italia. Per quanto è dato sapere, fino ad ora non pare siano state previste precauzioni per contaminazione nucleare come quelle che furono adottate all’indomani dei disastri della centrale di Chernobyl o di quella di Fukushima.

Allora cos’era quel fungo bianco?

Vi ho spiegato più su che le reazioni di degradazione del nitrato di ammonio hanno prodotto tonnellate di gas (incluso il vapor d’acqua) che si sono espanse prima nel capannone dove il sale era conservato e poi nell’atmosfera. La forza esercitata dalle molecole dei vari gas prodotti durante le reazioni di decomposizione termica del nitrato di ammonio ha generato un’onda che si è propagata molto velocemente. L’elevata velocità dell’onda ha compresso molto rapidamente tutte le molecole di gas presenti in atmosfera, incluse quelle dell’acqua sotto forma vapore. Come conseguenza, molto verosimilmente, si è avuta una rapida condensazione di queste ultime con formazione della nuvola bianca osservata. Nelle condizioni atmosferiche di Beirut al momento dell’esplosione, la nuvola bianca ottenuta verosimilmente  per condensazione delle molecole di acqua vapore si è, poi, rapidamente dissipata.

Il fenomeno osservato non è né più né meno che quello che accade quando un aereo supersonico abbatte la barriera del suono generando una nuvola di acqua condensata intorno a se stesso. Ma di questo ho parlato in un altro articolo.

Più veloci del suono

Aggiornamento in tempo reale.

Mi fanno giustamente notare che un’altra possibile reazione di degradazione termica del nitrato di ammonio è:

4 NH4NO3 → 2 NH3 + 3 NO2 + NO + N2 + 5 H2O

In questa reazione si ha la formazione del biossido di azoto e dell’ammoniaca che sono altri gas che vanno ad aggiungersi a quelli già descritti. In più essi sono anche tossici. A quanto pare, dalle ultime notizie, è stata consigliata l’evacuazione di quella parte di Beirut coinvolta nell’esplosione. Questo si potrebbe giustificare non solo per il pericolo dovuto alla instabilità delle abitazioni, ma anche a quello dovuto alla contaminazione dell’aria. Inoltre, il biossido di azoto è un gas rossastro e questo giustificherebbe il colore che si vede dopo la dissipazione della nube bianca. Bisogna anche dire, però, che il colore rossiccio potrebbe essere dovuto anche ad altro. Ne ho parlato anche in un altro articolo:

La chimica dei giochi pirotecnici

Aggiornamento n. 2

Ho fatto un po’ di calcoli. L’esplosione di Beirut potrebbe aver sprigionato un’energia di circa 1.26 kT (si legge kilotoni). Qui trovate informazioni un po’ più dettagliate su questa unità di misura. La bomba atomica di Hiroshima sprigionò un’energia di circa 15 kT (riferimento). In pratica, la potenza dell’esplosione di Beirut potrebbe essere stata circa l’8 % di quella di Hiroshima. Aspettiamo, ovviamente, le valutazioni degli esperti.

Disclaimer

Quanto ho scritto in questo articolo si basa sulle informazioni lette sui principali quotidiani che attribuiscono la responsabilità dell’esplosione di Beirut al nitrato di ammonio. I miei calcoletti mi permettono di dire che è plausibile. Una quantità elevata di nitrato di ammonio conservata in un luogo chiuso può dar luogo a degli effetti devastanti. Resta, naturalmente, da capire come mai si siano innescate le condizioni che hanno portato alla decomposizione termica del nitrato di ammonio. Ma questo è un lavoro che devono fare gli investigatori.

Ringraziamenti

Devo dire che questo articolo ha ricevuto un grande successo. Nel momento in cui scrivo questi ringraziamenti, l’articolo ha raggiunto oltre 40000 lettori. Molti mi hanno fatto notare errori ed incongruenze. Li ringrazio veramente tantissimo uno per uno. Mettere i nomi di tutti è impossibile perché critiche e commenti sono sparsi un po’ ovunque ed è difficile ritrovarli tutti. Sappiate solo che cerco di leggere tutto e di tener conto di tutto quello che mi fate notare. Questo articolo non è più solo mio, ma di tutti quelli che hanno contribuito al suo miglioramento.

Altre letture

L’ennesima strage da trascuratezza chimica.

Molecole a due facce

Incidente di Tianjin.

Il Disastro di Texas City

Il Disastro di Halifax

Chimica e fisica degli incendi (documento dei vigili del fuoco)

Fonte dell’immagine di copertina

 

Giulio Cesare ed i cambiamenti climatici

“Cosa c’entra Giulio Cesare con i cambiamenti climatici?”, vi starete chiedendo. Oppure state pensando: “ed ecco un altro prof. che è andato fuori di testa e fa associazioni pseudoscientifiche come capita a tutti”.

Ebbene no, miei cari lettori. Proprio ieri ho comprato il numero di Agosto 2020 della rivista Le Scienze. Ogni tanto ho bisogno di leggere riviste divulgative serie per fare pace con il mondo e convincermi che non tutto è perduto. Sapeste cosa mi scrivono certi figuri nei commenti del blog! Faccio passare solo i commenti che mi divertono di più, ma ce ne sono altri che, al confronto, la teoria della memoria dell’acqua è roba seria.

Ma torniamo a Giulio Cesare ed ai cambiamenti climatici.

Dicevo che ho preso Le Scienze di Agosto. A pagina 24, ci sono 13 righe in cui si parla delle cause che hanno portato Roma a diventare Impero dopo l’assassinio di Giulio Cesare occorso alle idi di Marzo del 44 a.C.. La notizia la potete leggere anche qui.

Devo dire che la lettura mi ha incuriosito ed ho cominciato a cercare in rete. Quello che ho trovato mi ha molto affascinato.

Pensate: è documentato che nel periodo immediatamente successivo a quello in cui Cesare fu assassinato, ci sono stati un paio di anni di freddo intenso. La temperatura, pare, si sia abbassata di circa 7 °C, mentre le precipitazioni si fecero molto più intense aumentando dal 50 al 120 % rispetto agli anni precedenti. Potete facilmente immaginare cosa vuol dire a livello agricolo un abbassamento della temperatura ed un aumento della pioggia di tale intensità. Ci sono stati sicuramente momenti di carestia che, assieme ai problemi politici che si sono presentati nello stesso periodo, possono essere considerati la concausa del passaggio dalla Repubblica all’Impero. In effetti, le peggiorate condizioni di vita dei contadini nel I secolo avanti Cristo, portarono a scontri sociali che si conclusero con la pace Augustea che riportò ordine nella società romana (Riferimento).

Una delle ipotesi che è stata formulata per spiegare le peggiorate condizioni di vita dei contadini romani nel I secolo a.C. è l’eruzione dell’Etna avvenuta nel 44 a.C. (Riferimento). Si è ipotizzato che tale eruzione avesse portato in atmosfera una quantità tale di polveri sottili da schermare i raggi del sole e provocare gli sconvolgimenti climatici associati ai periodi di carestia summenzionati. Tuttavia, pur rimanendo valida l’idea che una eruzione vulcanica fosse stata responsabile del cambiamento climatico iniziato a cavallo del 43-44 a.C., l’ipotesi dell’effetto dell’eruzione dell’Etna sul clima della penisola è stata sempre abbastanza controversa (Riferimento).

All’inizio di Luglio è apparso su Proceedings of the National Academy of the United States of America (PNAS), una rivista molto quotata nel mondo scientifico, un articolo a firma di un gruppo di ricercatori di diversa nazionalità dal titolo: “Extreme climate after massive eruption of Alaska’s Okmok volcano in 43 BCE and effects on the late Roman Republic and Ptolemaic Kingdom”. Lo potete scaricare, previo pagamento di 10 USD, cliccando sull’immagine qui sotto.

In questo lavoro i ricercatori hanno discusso delle analisi effettuate su carote di ghiaccio prelevate nell’Artico. Essi hanno evidenziando come la più probabile causa degli sconvolgimenti climatici occorsi nel I secolo a.C. fosse  non l’eruzione dell’Etna, ma quella del vulcano Okmok situato in Alaska.

Fonte dell’immagine

Nell’immagine qui sotto potete avere contezza delle distanze a livello planetario tra la posizione del vulcano ed il continente Europeo.

Sembra strano che l’eruzione di un vulcano così distante dall’Europa possa averne influenzato il clima, vero?

Vediamo allora cosa hanno fatto gli studiosi.

A quanto pare ogni vulcano ha una impronta chimica univoca in termini di molecole immesse in atmosfera per effetto delle eruzioni. I ricercatori hanno non solo attribuito le sostanze trovate nelle carote di ghiaccio proprio al vulcano Okmok, ma hanno anche datato l’eruzione relativa alla seconda metà del I secolo a.C.. Inoltre, usando i dati chimici identificati nelle carote di ghiaccio, i ricercatori hanno fatto delle simulazioni computazionali. In base ad esse, hanno potuto stabilire che intorno al 43 a.C. l’eruzione dell’Okmok ha portato in atmosfera tante di quelle particelle che si è avuta una riduzione della temperatura non solo in Europa, ma anche nel continente Africano. Come controprova delle loro simulazioni, i ricercatori hanno anche effettuato analisi dendrologiche  che hanno confermato le ipotesi sul ruolo dell’Omkok nelle variazioni climatiche del I secolo a.C..

Interessante, vero, come un’eruzione vulcanica a migliaia di chilometri di distanza dall’Europa possa aver indirizzato la politica romana.

Fonte dell’immagine di copertina

Le armi chimiche: i veleni naturali

Sapete che cosa è la chimica delle sostanze naturali? Si tratta di una branca della chimica che studia le proprietà chimiche (per esempio, struttura e conformazione) e la reattività di metaboliti primari e secondari delle piante e degli animali. La Treccani ne dà una bella definizione:

“È quel settore delle scienze chimiche che ha per oggetto lo studio della struttura, delle proprietà chimiche, delle trasformazioni delle sostanze organiche presenti negli organismi viventi (animali, piante o microorganismi), nonché del loro ruolo biologico”.

Perché vi sto dando questa definizione? Semplicemente perché sto leggendo un bel libro dal titolo “Storia dei veleni. Da Socrate ai giorni nostri” (Figura 1) in cui si descrivono le potenzialità venefiche di tantissime sostanze di origine naturale.

Figura 1. Libro sui veleni che ho acquistato recentemente

Non credo sia una novità che l’uso dei veleni sia noto fin dall’antichità. Essi venivano utilizzati sia per la caccia che per la guerra. Per esempio, nella seconda metà del XIX secolo, Alfred Fontan descrisse degli interessantissimi ritrovamenti nella grotta inferiore di Massat, nell’Ariège (Figura 2), un sito risalente all’epoca magdaleniana.

Figura 2. Zona dell’Ariege dove si trovano le grotte di Massat (Di TUBS – Opera propria. Questa grafica vettoriale non W3C-specificata è stata creata con Adobe Illustrator. Questa immagine vettoriale include elementi che sono stati presi o adattati da questa:  France adm-2 location map.svg (di NordNordWest)., CC BY-SA 3.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=45555827)

In particolare, tra i tanti reperti, furono individuate delle punte di lancia e freccia con delle interessanti scalanature (Figura 3).

Figura 3. Punte di lancia e freccia del periodo Magdaleniano (Fonte)

Negli anni successivi gli studiosi hanno compreso che le scanalature sulle punte di freccia e lancia servivano per fare aderire i veleni in modo tale che le prede (o i nemici), una volta colpiti anche in modo non mortale, potessero morire per effetto del veleno introdotto attraverso le ferite. Ancora oggi le popolazioni primitive che vivono nelle zone meno esplorate del pianeta fanno uso,  per la caccia o per la guerra, di punte  simili a quelle ritrovate nelle grotte di Messat .

Siete curiosi di sapere come si fa a rendere “velenosa” una punta di freccia o di lancia?

I veleni, come leggerete nel paragrafo successivo, vengono per lo più estratti dalle piante.  Jean de Maleissye, nel libro che sto leggendo, ci spiega come facevano alcune popolazioni dello Zimbabwe a preparare le loro armi. Molto verosimilmente, la stessa tecnica era applicata dalle popolazioni primitive.

“Si faceva a pezzi la pianta, la si mescolava ad acqua e si faceva bollire il tutto per molto tempo. Poi si lasciava ridurre il liquido finché non si addensava, assumendo la consistenza della pece. Il veleno veniva fissato sull’estremità superiore dell’arma tramite una cordicella che gli indigeni arrotolavano attorno alla punta. Lo spazio libero fra ogni spira di corda tratteneva infatti il veleno, quando vi si immergeva la punta dell’arma. Si lasciava seccare il preparato velenoso, poi si toglieva il filo. Con tutta probabilità, la cordicella consentiva di trattenere il veleno su superfici minuscole. Tale artificio impediva infatti al veleno di staccarsi prematuramente in grandi placche”.

Come cacciavano le popolazioni della civiltà magdaleniana?

Non lo sappiamo, in realtà. Possiamo immaginare dalle ricostruzioni basate sugli utensili ritrovati in giro per l’Europa, che i magdaleniani “dopo aver colpito con una o più frecce avvelenate un grande cervo o una renna, [ne seguono] le tracce per ore o anche per giorni, fintanto che, stremato dal veleno, dalla perdita di sangue e dallo sforzo compiuto, il grande animale non crolla in un bosco ceduo” (Fonte). Una volta catturata la preda, i cacciatori rimuovono la parte avvelenata e fanno a pezzi tutto il resto della carcassa che viene usata per alimentarsi.

Origine dei veleni

In genere si tratta di sostanze che vengono estratte dalle piante. Una di queste è la Aconitum napellus o aconito,  una pianta che cresce in zone montuose e nota, per le sue proprietà tossiche, già a i tempi dei Galli e dei Germani (Figura 4).

Figura 4. Aconito, pianta molto comune ed estremamente tossica

Le sue parti, incluse le radici, contengono miscele complesse di alcaloidi quali: aconitina, napellina, pseudoaconitina, aconina, sparteina, efedrina (Figura 5).

Figura 5. Struttura chimica dei principali alcaloidi presenti nei tessuti di Aconitum napellus.

Tutte queste molecole hanno attività neuro- e cardio-tossica. La loro dose letale è dell’ordine di pochi milligrammi (1-4 mg) per chilogrammo di peso corporeo.  Immaginate, quindi, cosa può succedere se una freccia avvelenata con questa miscela di alcaloidi vi colpisse anche in un punto non vitale. Il veleno entrerebbe nel sangue e sareste soggetti a “rallentamento dei battiti cardiaci, diminuzione della pressione arteriosa e rallentamento del ritmo respiratorio” fino a  paralisi cardiaca e respiratoria (Fonte). Anche l’ingestione di questa miscela di alcaloidi porta alla stessa fine.

Ma volete sapere un’altra cosa? Avete presente la “potentissima” medicina tradizionale cinese?

Ebbene, nel 2018, è stato pubblicato un lavoro di revisione della letteratura scientifica in merito alla tossicità degli alcaloidi dell’aconito. Il lavoro è liberamente scaricabile qui. Nell’introduzione si evidenzia come gli estratti della radice di questa pianta siano usati nella medicina tradizionale cinese come rimedi per problemi cardiovascolari, artriti reumatoidi, bronchite, dolori generici e ipotiroidismo. Non sono un medico, però a me sembra quasi la panacea di ogni male (mi correggano i medici che leggono questo articolo se sbaglio, per favore). Nella stessa introduzione viene anche rilevato che le autorità sanitarie di molti paesi asiatici sono costrette a regolamentare l’uso di questo preparato a causa della sua elevata tossicità. Infatti, tra il 2001 e il 2010 sono stati osservati, per esempio, ben 5000 casi di tossicità da alcaloidi di aconito. Come mai tutte queste intossicazioni? Semplicemente perché, come evidenziato anche in un lavoro del 2019 pubblicato su Forensic Science, Medicine and Pathology, una rivista della Springer con impact factor nel 2019 di 1.611 (si può liberamente scaricare qui), gli estratti di aconito vengono usati senza prescrizione medica ed è facile usare la logica spicciola secondo cui se la quantità x mi permette di guarire, allora la quantità xn mi farà guarire più velocemente. 

Conclusioni

La natura ci è nemica? Neanche per sogno. Allora ci è amica? neanche per sogno parte seconda. Alla natura non importa nulla di noi. I veleni possono essere considerati  la risposta evolutiva delle prede ai predatori. Quando, in modo casuale ed imprevedibile, una modifica genetica consente la nascita di una pianta con un corredo metabolico appena un po’ diverso da quello delle sue “compagne”, è possibile che essa diventi indigesta, ovvero tossica, per i predatori. Questa nuova caratteristica favorisce la sopravvivenza della pianta modificata rispetto alle sue “sorelle” non modificate. Nel momento in cui tutte le piante non modificate si sono esaurite a causa della pressione alimentare dei predatori, rimangono in vita solo quelle modificate da cui i predatori si tengono lontani… a meno di non capire che esse possono essere sfruttate non a fini alimentari ma per la caccia e per la guerra.

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Scienza open access e riviste predatorie. Parte II. Il sistema aperto

Nella prima parte di questo reportage (che appare nella Newsletter della Società Italiana di Scienza del Suolo) ho discusso dei limiti del sistema chiuso delle riviste scientifiche. In quella sede, l’aggettivo “chiuso” si riferiva al fatto che le case editrici non permettono l’accesso libero dei ricercatori agli studi che vengono pubblicati: neanche ai loro stessi lavori. Quante volte mi è capitato, per esempio, di dover chiedere il favore a qualche collega straniero di scaricare per me i miei stessi lavori e di inviarmene una copia in pdf? Ormai non le conto più. Le conclusioni del precedente articolo (le trovate qui sotto) erano che il sistema chiuso sul quale si è basata la diffusione delle ricerche scientifiche fino ad ora, non è sostenibile sotto l’aspetto economico.

Scienza open access e riviste predatorie. Parte I. Il sistema chiuso

Meglio l’open access, allora? La pubblicazione open access è quel tipo di articolo per cui chi legge non ha bisogno di pagare nulla. In altre parole, se tutti noi che, a vario titolo, ci occupiamo di scienza cominciassimo a pubblicare in maniera “open”, tutte le università e centri di ricerca risparmierebbero un bel po’ di soldi che potrebbero essere investiti in ben altro: borse di studio, nuovi reclutamenti di ricercatori e docenti, apparecchiature scientifiche e…chi più ne ha, più ne metta.

Devo dire che questa è la realtà ideale. Vado nel mio ufficio, mi siedo alla scrivania, accendo il computer e faccio la mia ricerca bibliografica. Dal momento che tutti pubblichiamo in open access, la mia università non ha necessità di pagare alcun abbonamento (esoso) ed io posso accedere e scaricare tutto quello che voglio.

Bello il mondo ideale, vero?

Il problema è che le case editrici tutto sono tranne che enti filantropici. Da qualche parte devono pure far soldi. Ed in effetti il problema economico si è spostato: non sono più le università a dover pagare per gli abbonamenti in modo da consentire ai ricercatori di poter essere aggiornati, ma sono i ricercatori che, per poter pubblicare su una rivista open access, devono pagare una tassa di pubblicazione. Questa tassa è dovuta solo se il lavoro supera il processo di peer review e viene accettato per la pubblicazione.

A questo punto, il più scafato tra noi ha già capito quale è l’inghippo. Ma andiamo con ordine.

Vi riporto qui sotto una tabella in cui è possibile leggere il costo (in dollari statunitensi per omogeneità di riferimento) che dovrei sostenere per pubblicare in maniera open su alcune delle riviste del mio settore o su alcune di quelle che si adattano meglio alla tipologia di ricerca che faccio (chimica-fisica ambientale):

Queste sono solo alcune delle riviste serie che sono completamente open (ACS Omega) oppure ibride (tutte le altre della lista), ovvero consentono all’autore di scegliere se pubblicare col sistema chiuso o quello open.

Ormai anche le pietre sanno che per il biennio 2018-2020 (prorogato fino a giugno 2021) sono uno dei commissari per l’abilitazione scientifica nazionale (ASN) per il mio settore concorsuale. Perché vi dico questo? Semplicemente per farvi capire che sono uno di quelli che conoscono abbastanza bene le regole che devono essere applicate sia per avere l’abilitazione che per superare un qualsiasi concorso universitario. Ebbene, tra queste regole (che non vengono stabilite dai commissari, ma calate dall’alto dal Ministero dell’Università) c’è il cosiddetto h-index – di cui ho parlato nel mio blog qui – nonché la somma degli impact factor delle riviste su cui un candidato ha pubblicato.

Non voglio aprire un altro fronte per cui non voglio discutere dell’aberrazione di una valutazione basata sui parametri anzidetti. Il mio scopo è solo quello di farvi capire che l’h-index di un ricercatore aumenta con l’aumentare delle citazioni e della visibilità dei suoi lavori.

Quando un articolo pubblicato diviene visibile e può avere alte possibilità di citazione? Ovvio…quando è open access, naturalmente.

Ed eccoci arrivati al punto: se ho tante pubblicazioni open access, a meno di non essere una capra e pubblicare sciocchezze sesquipedali, ho una ottima possibilità di essere visibile e di veder citati i miei lavori. Oddio…anche se pubblico sciocchezze sesquipedali ho ottime possibilità di essere citato…ma in negativo. E non è esattamente bello per la reputazione. Basta prendere in considerazione le sciocchezze pubblicate negli ultimi anni da un premio Nobel come Luc Montagnier, per rendersi conto che egli è oggi solo una patetica figura che cerca di riguadagnare quella visibilità che lo ha abbagliato – soddisfacendo il suo ego – quando ha vinto il premio Nobel nel 2008.

Ma sto divagando…

Considerando i costi che un ricercatore deve sostenere per poter pubblicare in open access, cosa si può concludere dalla disamina di questa seconda puntata?

Se sono un ricercatore che studia un ambito scientifico per cui è difficile reperire fondi, mi conviene il sistema chiuso. Faccio il mio lavoro col minimo di soldi che riesco a trovare, scrivo il mio rapporto scientifico e invio il lavoro ad una delle riviste che non mi chiedono di pagare per la pubblicazione. Pagherà chi ha bisogno di sapere cosa ho fatto, fermo restando che, come autore, posso inviare gratuitamente il lavoro pubblicato a chiunque me ne faccia richiesta.

Se sono un ricercatore che è in grado di attrarre molti fondi, mi conviene pubblicare sulle riviste open. Parte dei miei fondi sono, in ogni caso, destinati alla mia università per spese di gestione; mettiamo tra queste anche il libero accesso alle informazioni scientifiche. Questo implica una maggiore visibilità ed una maggiore penetrazione delle mie ricerche nel mondo scientifico, anche quello non direttamente collegato al mio specifico settore disciplinare. Maggiore visibilità per il ricercatore significa anche maggiore visibilità per l’istituzione di appartenenza che, quindi, ha tutto l’interesse a privilegiare l’open access invece che la pubblicazione chiusa. Ed infatti, attualmente molte, se non tutte, le università in Italia chiedono che i lavori scientifici vengano pubblicati anche sulle riviste open access.

Il problema è che quando il mercato diventa libero si innesca la concorrenza ed è possibile, anzi certo, che si possa incorrere in delle truffe.

Ma questo sarà oggetto del prossimo articolo nel prossimo numero della Newsletter.


Questo articolo è apparso nella Newsletter n. 13 della SISS (qui)

Chimica e storia. In memoria dei caduti per effetto dei gas in guerra

29 giugno 1916. Ore 5:30. I soldati italiani che vivono nelle trincee scavate sul Monte San Michele nel Carso isontino si stanno lentamente svegliando quando “una cortina di fumo non più alta di due metri […] rotola adagio, dato che non c’è vento, verso di noi”[1].

Panoramica della zona del Monte San Michele (Fonte)

I soldati, allarmati dai loro ufficiali,  indossano le protezioni antigas costituite da “una maschera che ha una pinzetta che serve per chiudere le narici e una specie di filtro dal quale parte una gomma che termina con una specie di testina, la quale si tiene in bocca e così si respira. In più ha una membrana con elastico che copre la faccia e le orecchie perfettamente. Inoltre, ci hanno dato una pezzuola di gomma come quella della membrana della maschera: questa in caso si deve mettere in mezzo alle gambe e legare con le fettucce che è dotata. In più una scatola di vasellina speciale, da ungere tutto attorno a questa pezzuola e anche sotto le ascelle, perché i gas che possono buttare, ti prendono nelle parti deboli e possono uccidere anche senza respirarli”[2].

È il primo attacco con i gas che l’esercito austro-ungarico sferra contro il fronte italiano dislocato sul monte San Michele. L’attacco, in poche ore (dalle 5:30 alle 9:30 circa) si conclude con la morte di circa 7000 italiani, un numero enorme considerando che più o meno lo stesso numero di soldati è deceduto nell’insieme di tutte le guerre risorgimentali[3]. Tuttavia, non tutti sono morti per effetto dei gas. I feriti, i moribondi, i soldati intontiti dai gas sono finiti a colpi di mazze ferrate.

Mazze ferrate usate da tutti gli schieramenti belligeranti durante la Prima guerra mondiale (Fonte)
L’effetto del gas dal diario del cap. med. Giuseppe Pisanò dal posto di medicazione sul San Michele[4]

“L’individuo che si trova sotto l’azione dei gas venefici presenta grande agitazione dovuta in gran parte alla difficoltà del respiro, pallore accentuato del volto e delle mucose visibili: miosi. In molti casi il colorito è terreo, come quello dei malarici, in altri è cianotico con accentuazione alle labbra e alle orbite, i muscoli del volto e delle labbra sono scossi da movimenti tonico-clonici, così pure la lingua, e dalla bocca e dalle nari fuoriescono muco e bava spumosi lievemente  colorati in rosso uniforme dal sangue.

La respirazione è estremamente difficile […]. Gli spazi intercostali sono tesi, rigidi sì da richiamare alla mente un’altra grave intossicazione: quella da virus tetanico. […] Alla ascoltazione del torace si rivelano ronchi sibilanti e rantoli a medie bolle diffusi su tutto l’ambito toracico. […] Passando all’apparato gastrointestinale si nota: vomito, defecazioni e orinazioni non contenibili: le feci non sono diarroiche, ma sono mollicce e intensamente colorate in giallo-oro, così pure le urine. Esiste inoltre in quasi tutti una sensazione di violento e molesto dolore all’epigastrio con irradiazioni all’aia gastrica e all’aia colica sì da avere anche qui l’impressione della esistenza di uno spasmo tonico-clonico alla muscolatura liscia dei visceri addominali. […] Il sangue (e ciò potei constatare avendo praticato un salasso in un caso molto grave che fu poi seguito da decesso) è molto scuro, coagula lentamente formando un coagulo di consistenza molliccia, ed il siero che si separa contiene discreta quantità di sangue emolizzato, cosa del resto dimostrata anche dalla presenza, nello sputo e nel vomito, di guigna già rilevata”.

Questi descritti sono sola una parte dei sintomi dovuti all’avvelenamento da gas usati la mattina del 29 giugno 1916 dalle truppe austroungariche. L’ufficiale medico Pisanò descrive anche una possibile cura per alleviare le sofferenze degli avvelenati e per rimetterli in sesto: cardiotonici, morfina ed atropina che, secondo il dottore, erano in grado di “calmare lo stimolo stizzoso della tosse, permettendo una migliore ossigenazione del sangue” con  “notevole benefica influenza su tutta la ulteriore evoluzione del male”.

Quali furono i gas usati dall’esercito austroungarico?

Si tratta di una miscela di cloro molecolare e fosgene. Sono aggressivi soffocanti che hanno un tempo di permanenza nell’ambiente molto veloce e, per questo, permettono agli attaccanti di sopraggiungere a sorpresa sugli attaccati e decimarli. È quanto effettivamente accaduto. Tuttavia, stando al bollettino del Generale Cadorna, le riserve italiane si sono comportate molto bene e, nonostante le perdite subite, sono riuscite a ricacciare indietro i soldati nemici.

Il cloro fu scoperto nel 1774 da Carl Wilhelm Scheele, un chimico svedese, che pensò erroneamente potesse contenere ossigeno. Fu solo nel 1810 che Humphry Davy, un chimico inglese, capì che non si trattava di un gas contenente ossigeno, ma di qualcosa di nuovo che chiamò cloro, da chloros che vuol dire verde. Infatti, il cloro molecolare si presenta come un gas dal colore verde. “Gli effetti del cloro sulla salute umana dipendono dalla quantità di cloro presente e dalla durata e frequenza di esposizione. Gli effetti dipendono inoltre dalla salute dell’individuo o delle condizioni dell’ambiente a seguito di esposizione.

La respirazione di piccole quantità di cloro in brevi periodi di tempo ha effetti negativi sull’apparato respiratorio umano. Gli effetti vanno da tosse e dolori toracici, a ritenzione di acqua nei polmoni. Il cloro irrita la pelle, gli occhi e l’apparato respiratorio. Questi effetti non tendono ad accadere ai livelli di cloro normalmente trovati nell’ambiente” (Fonte).

Il fosgene (COCl2) è un composto noto fin dal XIX secolo. Scoperto da John Davy, esso è estremamente reattivo e viene usato come intermedio in molte reazioni chimiche. Penetrando negli alveoli, il fosgene provoca un aumento della permeabilità degli stessi permettendo al plasma di uscire. Il sangue perde volume, si concentra e si verifica anossemia. In altre parole, si riduce la concentrazione di anidride carbonica nel sangue ed aumenta quella di ossigeno che ha, in quelle condizioni, una elevata affinità per l’emoglobina. Questo vuol dire che quando l’emoglobina arriva nelle cellule non rilascia l’ossigeno necessario ai processi metabolici cosicché i tessuti cominciano a “morire” per mancanza di ossigeno.

Conclusioni

L’uso dei gas nella Prima guerra mondiale è stato un orrore che non ci ha insegnato nulla. Ancora oggi in molte parti del mondo i gas vengono usati per uccidere sia militari che popolazioni civili. E dire che il bando alle armi chimiche non è cosa nuova. Infatti, già nel 1874, con la dichiarazione di Bruxelles, l’uso dei gas come armi fu proibito. Nel tempo, il bando è stato più volte reiterato, ma, nonostante questo, ci sono ancora degli individui (non mi sento di definirli animali perché ho rispetto per questi esseri viventi, ma nemmeno esseri umani perché un essere umano non dovrebbe permettere uccisioni così abominevoli) che fanno largo uso di armi vietate da tutte le convenzioni.

Questo articoletto serve per onorare non solo la memoria dei soldati italiani caduti sul monte San Michele il 29 giugno 1916, ma anche tutti coloro che sono stati vittime dell’uso dei gas in guerra.

Riferimenti

[1] N. Mantoan “La guerra dei gas. 1914-1918” Gaspari editore (2004), 3^ ed.

[2] N. Mantoan, Op. Cit.

[3] N. Mantoan, Op. Cit.

[4] N. Mantoan, Op. Cit.

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