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Incontro con Stefano Fantoni

Il meraviglioso mondo delle basse temperature

Stefano Fantoni presenta le basse temperature come prototipo delle esplorazioni scientifiche di frontiere che sembrano lontane dalla quotidianità.

Federica offre una sintesi dell’incontro, svoltosi nell’ambito di Come alla Corte di Federico II, ovvero parlando e riparlando di scienza.

“Oltre la dimensione del gioco, del sapere per il sapere, la scienza non può più permettersi di trascurare quella sociale e politica se non vuole che Prometeo sia incatenato dagli uomini per aver rivelato agli Dei, ai potenti, il segreto del fuoco”.

Il meraviglioso mondo delle basse temperature

La scienza, nel suo incessante tentativo di alleggerire le nostre osservazioni da tutto ciò che non è essenziale e trovare spiegazioni oggettive dei fenomeni naturali in cui siamo immersi, che caratterizzano il nostro essere di uomini razionali e al tempo stesso sollecitano la nostra emotività, insegue le grandi frontiere, là dove il nostro intuito non può venirci più in aiuto e dove ci aspettiamo di scoprire le strutture ed i processi fondamentali del mondo.

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Stefano Fantoni
Direttore S.I.S.S.A.
Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati

Per cominciare: spunti letterari

Nei momenti in cui il regno dell’umano mi sembra condannato alla pesantezza … penso che dovrebbe volare come Perseo in un altro spazio. Non sto parlando di fughe nel sogno o nell’irrazionale. Voglio dire che devo cambiare il mio approccio. Devo guardare il mondo con un’altra ottica, un’altra logica.

Ma se la letteratura non basta ad assicurarmi che non sto solo inseguendo dei sogni, cerco nella scienza alimento per le mie visioni in cui ogni pesantezza viene dissolta. [...]

In: “Lezioni Americane”, Italo Calvino

Quella delle basse temperature è una di queste frontiere, come l’infinitamente grande dei fenomeni cosmologici o l’infinitamente piccolo dei costituenti elementari della materia.

La frontiera dell’infinitamente freddo

Quella delle basse temperature è una frontiera, dove non si vanno a cercare le forze fondamentali del mondo o i mattoncini sui quali esso è costruito in base alla nostra visione riduzionista della natura, ma si indaga piuttosto sul come la materia può strutturarsi in condizioni estreme. Si va verso lo zero assoluto, una temperatura molto bassa (corrisponde a -273,15 gradi centigradi), una singolarità irraggiungibile, anche se è possibile raggiungere temperature arbitrariamente vicine ad essa. L’ha dimostrato ai primi del ‘900 Walther Nernst (premio Nobel per la chimica nel 1920 per i suoi lavori sulla termochimica).

Allo zero assoluto

• Atomi e molecole sono tutti nel loro stato fondamentale
• il sistema possiede la minore energia cinetica (di movimento) possibile
• … che non è zero! Non lo permette la Meccanica Quantistica come ci ha insegnato Heisenberg
• … ma dipende dalle dimensioni dello spazio in cui il sistema è confinato.

Stelle neutroniche

Hanno temperature di centinaia di miliardi di gradi, eppure sono sistemi di bassa temperatura…

La chimica delle basse temperature

Fisica e Chimica rappresentano da sempre un binomio inscindibile, tanto da risultare difficile definire i fenomeni di pertinenza di una delle due discipline senza fare riferimento all’altra. Così, ci si può chiedere se, al pari della Fisica, esista anche una Chimica delle Basse Temperature.
Un primo oggetto di studio della Chimica è rappresentato dalla struttura e dalla proprietà dei costituenti della materia (atomi, molecole, ioni) e dalle loro interazioni reciproche, che originano i vari stati di aggregazione. La branca della Chimica che opera in quest’ambito, dove i confini con la Fisica sono piuttosto labili, è, non a caso, la Chimica Fisica. Non c’è dubbio, quindi, che si possa parlare di una Chimica Fisica delle Basse Temperature, giacché, a temperature prossime allo zero assoluto, alcuni materiali evidenziano strutture e/o proprietà inedite.

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Luciano Mayol
Professore di Chimica organica
Università degli Studi di Napoli Federico II

Le basse temperature e la salvaguardia della biodiversità

Il passaggio dalla vita nomade a quella stanziale diede origine alle pratiche agricole che prevedevano la coltivazione delle piante per usi alimentari.
Il passaggio tra inseguimento del cibo e la sua produzione in loco fu definito da Childe ‘Rivoluzione Neolitica’. Tale cambiamento d’abitudini indusse l’uomo primitivo a imparare a raccogliere e conservare il seme, ad identificare le specie utili e soprattutto a selezionare i genotipi più adatti alle condizioni pedoclimatiche delle aree di coltivazione.
Nell’arco temporale che ci separa dalle prime pratiche agricole dell’uomo è avvenuta l’evoluzione di molte delle piante attualmente coltivate e non. Oggi si stima che le risorse genetiche vegetali sul pianeta siano oltre 300.000, di cui solo pochissime, meno di 50, ’sfamano il mondo’ fornendo il 95% di carboidrati e proteine. Quest’enorme patrimonio di diversità costituitosi nei millenni deve essere preservato per le generazioni future poiché a causa di cambiamenti naturali e/o indotti dall’uomo (condizioni ambientali avverse quali temperature troppo alte, siccità e inondazioni, introduzione di nuovi patogeni e malattie, deforestazione, urbanizzazione…) può andare perduto.

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Luigi Frusciante
Professore di Genetica agraria
Università degli Studi di Napoli Federico II

La fisica delle basse temperature

La fisica delle basse temperature certamente rappresenta una delle più importanti e stimolanti aree delle Scienze Fisiche. Con la parola ‘criogenia’, di ovvia derivazione greca, si indica in tale contesto, non solo la produzione di basse temperature ma, anche i problemi relativi al mantenimento ed alla misura delle stesse con le specifiche tecniche e strumentazioni connesse. L’arduo cammino verso lo ‘zero assoluto’ (-273°C) continua. Tale cammino è costellato di eventi di fondamentale importanza nella storia della fisica. Quando si parla di basse temperature ci si riferisce, in via meramente convenzionale, a temperature inferiori ai -150°C quali sono le temperature di ebollizione di elio, idrogeno, azoto, ossigeno.
Il grande interesse della fisica delle basse temperature risiede nella circostanza che intriganti ’stati della materia’ sono governati da energie di correlazione particolarmente flebili.

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Antonio Barone
Professore di Struttura della materia
Università degli Studi di Napoli Federico II

La superconduttività: uno straordinario fenomeno alla basse temperature

Uno dei fenomeni più rilevanti che avvengono alle basse temperature è quello della superconduttività. Praticamente tutti i metalli (tranne alcuni tra i più comuni, come ferro, rame, argento e oro) subiscono una ‘transizione di fase’ a bassa temperatura e la loro resistenza elettrica diventa rigorosamente nulla. Questo fenomeno fu scoperto quasi cent’anni fa, nel 1911, ma fu spiegato solo negli anni cinquanta da Bardeen, Cooper e Schrieffer, sulla base di una complessa teoria quantistica detta appunto ‘BCS’.
Quello che accade è che l’interazione tra gli elettroni responsabili della conduzione di elettricità e le vibrazioni della struttura del metallo portano a una piccola forza di attrazione tra gli elettroni. Alle basse temperature, abbassandosi l’energia termica, quest’attrazione fa sì che si formino delle coppie stabili di elettroni (coppie di Cooper) chiamate anche ’superelettroni’ che sono in grado di trasportare la corrente senza perdite di energia.

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Ruggero Vaglio
Professore di Fisica generale
Università degli Studi di Napoli Federico II

Nasce 2500 anni fa in Egitto la crioterapia

L’impiego delle basse temperature in medicina sembra risalire all’antico Egitto, 2500 anni fa. Le traduzioni di papiri risalenti a quel periodo, infatti, riportano buoni risultati ottenuti col freddo, nella cura dei traumi e delle infiammazioni. Nel V secolo a.C. Ippocrate sottolineava l’utilità del freddo nel lenire il dolore da trauma e nella cura di alcune malattie delle ossa. Nel Medio Evo il freddo venne impiegato per curare gli edemi, per controllare le emorragie e come analgesico. Thomas Bartholin di Copenhagen scrisse il primo libro di criochirurgia nel 1661, nel quale riportava i risultati delle sue ricerche sull’impiego della neve e del ghiaccio a scopo terapeutico. In un libro pubblicato nel 1817 intitolato Mémories de Chirurgie Militaire et Campagnes Paris 1812-1817, l’autore, Baron Dominique Jean Larrey, medico delle truppe di Napoleone durante la storica disfatta della campagna di Russia, riportava la possibilità di amputare un arto senza emorragia e in modo indolore se lo stesso veniva ricoperto con ghiaccio e neve prima dell’intervento.

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Giovanni Persico
Professore di Chirurgia generale
Università degli Studi di Napoli Federico II

Scarica il dossier a cura della redazione di Come alla Corte – Edizione 2008-2009