Progetto To3-­‐nano Outreach Centro Agorà Scienza LABORATORIO 1 – Chilab I fondamenti delle nanoscienze Ricercatore responsabile: Elena Tresso Scopo: introdurre insegnanti e studenti delle scuole superiori alle nanoscienze, mostrando in particolare le proprietà fisiche che si manifestano a livello nanometrico e illustrando alcune delle principali applicazioni innovative che spaziano dalla meccanica, al fotovoltaico, alle telecomunicazioni ed alla medicina. Le nanoscienze offriranno agli insegnanti delle scuole superiori l’opportunità di introdurre le leggi fondamentali della natura e la moderna fisica della materia nel laboratorio scolastico. I kit didattici verranno scelti in modo da garantire protocolli sperimentali semplici, sicuri e facilmente replicabili, in un approccio didattico sperimentale ed interdisciplinare. Si prevedono esperimenti di laboratorio che consentano una reale manipolazione di nano-­‐materiali, permettendo di studiare le principali tematiche legate alle nanotecnologie, quali ad esempio: -­‐
superfici nanostrutturate e nanotribologia: esperimenti su effetto loto, superfici idrofobiche sul legno, minerali e tessuti, formazione di una superficie idrofilica -­‐ anti-­‐condensa su vetro; -­‐
smart materials: materiali a memoria di forma, piezoelettrici, aerogel; -­‐
nanoparticelle: proprietà ottiche, interazione luce-­‐materia e spettroscopia ottica, nanoparticelle metalliche in soluzione; -­‐
vedere la nanoscala: microscopia a forza atomica su superfici di grafite e su pattern nanostrutturati. L’interesse di questo laboratorio risiede nella proposta di attività facilmente replicabili in classe senza l’intervento di ricercatori specializzati nelle nanoscienze. Ad ogni classe partecipante verrà consegnato un nanokit che rimarrà in loro proprietà e potranno continuare ad utilizzarlo nel tempo sostituendone solo gli elementi consumabili. Progetto To3-­‐nano Outreach Centro Agorà Scienza LABORATORIO 2 – NIS Dai diamanti ai superconduttori: un viaggio alla scoperta di materiali “estremi” per lo sviluppo di micro e nano-­‐dispositivi avanzati Ricercatore responsabile: Paolo Olivero Scopo: -­‐
familiarizzare con due materiali dalle proprietà elettroniche opposte ed ugualmente “estreme”: il diamante (un isolante elettrico ideale, caratterizzato da una resistenza elettrica elevatissima) ed i superconduttori ad alta temperatura critica come l'YBCO (conduttori a resistenza elettrica praticamente nulla); -­‐
seguire i processi di fabbricazione e caratterizzazione di micro e nano-­‐dispositivi basati su questi materiali, che basano le loro peculiari funzionalità su queste proprietà. Il diamante, con il suo valore di gap energetica proibita di 5.5 eV (elettron-­‐volt), è un materiale caratterizzato, oltre che da ben note proprietà di durezza meccanica e trasparenza ottica che lo rendono una pietra preziosa di grande 12
fascino, da un’altissima resistività elettrica (superiore a 1 TΩ m, ovvero 10 = 1,000,000,000,000 ohm-­‐metro). All’opposto, i materiali superconduttori sono caratterizzati da una resistenza elettrica virtualmente nulla, ovvero consentono la trasmissione di una corrente elettrica senza alcuna dissipazione. A partire dagli inizi del ‘900, si è scoperto che numerosi metalli esibiscono questo tipo di proprietà a bassissime temperature. In particolare, l’YBCO (un’abbreviazione per YBa2Cu3O7, ovvero l’ossido di ittrio bario e rame) ha una temperatura critica di circa -­‐180 °C, e quindi transisce ad uno stato super-­‐conduttivo alla temperatura dell’azoto liquido (-­‐177 °C). In questo laboratorio gli studenti familiarizzeranno con la caratterizzazione strutturale ed elettrica di campioni di diamante artificiale monocristallino e nano-­‐cristallino di diverse tipologie e qualità cristallografica, e di campioni microscopici di YBCO sintetizzati presso l’Università di Torino. In particolare verranno utilizzate tecniche di microscopia a fascio elettronico per risolvere le morfologie di campioni micro e nano-­‐strutturati, mentre la spettroscopia a foto-­‐elettroni da raggi X (XPS: X-­‐ray Photo-­‐electron Spectroscopy) verrà impiegata per studiarne le composizioni elementali. In seguito, si procederà alla contattatura di micro e nano-­‐dispositivi basati su questi materiali, e quindi alla loro caratterizzazione elettrica mediante apparati strumentali utilizzati in ambito di ricerca presso il Laboratorio di Fisica dello Stato Solido del Dipartimento di Fisica dell’Università di Torino. Sinistra: struttura cristallina del diamante. Destra: bio-­‐sensore cellulare micro-­‐fabbricato presso l’Università di Torino. Sinistra: struttura cristallina dell’ossido di ittrio bario e rame (YBCO). Destra: micro-­‐generatore di onde THz basato su giunzioni Josephson di questo materiale. Progetto To3-­‐nano Outreach Centro Agorà Scienza LABORATORIO 3 – NIS Nanoparticelle & reazioni chimiche che producono luce: il brevetto dell’Università di Torino per il miglioramento del “test del Luminol” per l’analisi di scene del reato Ricercatore responsabile: Gianmario Martra Chi non è rimasto affascinato dalla danza luminosa delle lucciole in volo sopra un prato in una sera d’estate, o meravigliato dalle immagini del chiarore emesso da alcuni pesci o altri organismi viventi che popolano le profondità degli abissi oceanici? E chi, a motivo di notizie di cronache o delle varie serie televisive dedicate a investigazioni poliziesche, non ha sentito parlare di un “test del Luminol” per l’individuazione di tracce non altrimenti visibili, in particolare di sangue, sulla scena del crimine? E cosa hanno in comune il lucore quasi poetico di una lucciola con un fenomeno utilizzato per accertare eventi purtroppo cruenti? Partiamo da quest’ultimo punto: nel corso di una reazione chimica, le specie che si formano inizialmente dopo l’incontro tra i reagenti devono accumulare una certa energia per poi dare origine alla formazione dei prodotti, e in alcuni casi almeno una parte di tale energia può rimanere “in dote” ad uno dei prodotti (che in termini scientifici viene a trovarsi in uno stato elettronico eccitato), per poi venire rilasciata appunto sotto forma di fotoni (e quindi di luce). È il fenomeno della chemiluminescenza, a cui, quando si manifesta come conseguenza di reazioni che avvengono in organismi viventi, si assegna la denominazione di bioluminescenza. Un aspetto comune alle varie fenomenologie di chemi/bio luminescenza è la presenza di un catalizzatore, che velocizza lo svolgimento della reazione. Tra questi catalizzatori si collocano anche gli ioni ferro presenti nell’emoglobina: è quindi questa l’origine del “test del Luminol” per la ricerca di tracce ematiche latenti (non visibili) sulla scena del reato, in cui le sulle superfici oggetto di indagine viene nebulizzata una soluzione basica contenente un ossidante ed il Luminol, che in presenza del catalizzatore derivante dall’emoglobina danno corso ad una reazione chemiluminescente, con emissione di una caratteristica luce azzurra. Tuttavia, come si verificherà nella prima parte dell’esperimento, normalmente la reazione si esaurisce nel corso di alcuni secondi, e l’intensità del fenomeno risulta difficilmente percepibile in presenza di tracce davvero esigue di sangue. Entrambi questi aspetti costituiscono una significativa limitazione all’utilizzo del test nel corso dei rilievi scientifici sulla scena del reato, ed inoltre il repentino spegnimento della chemiluminescenza impedisce quasi sempre l’acquisizione di una adeguata documentazione fotografica, elemento di oggettivazione dei rilievi eseguiti sempre più richiesto per la valutazione delle prove nel corso dei dibattimenti giudiziari. A questo riguardo, studi svolti da alcuni ricercatori dell’Università di Torino, in relazione ad attività scientifiche connesse con il corso di Laurea Magistrale in Chimica Clinica, Forense e dello Sport, hanno portato alla determinazione di una nuova formulazione e sequenza operativa per l’esecuzione del test del Luminol, in cui l’impiego di nanoparticelle permette di prolungare fino a parecchi minuti la durata della reazione chemiluminescente, con un più efficiente consumo dei reagenti e conseguente aumento della luminosità percepibile. L’insieme di tali studi ha portato al deposito da parte dell’Università di Torino della domanda di brevetto “A method and a kit for determin human or animal blood on a surface” (WO2010064199-­‐A1), di cui è in corso l’estensione della validità negli USA. L’attività proposta prevede una breve introduzione su alcuni aspetti scientifici di base, necessari per svolgere in modo appropriato la successiva serie di prove sperimentali che, attraverso un percorso logico-­‐deduttivo della interpretazione dei risultati via via ottenuti permetterà ai ragazzi coinvolti di formulare ipotesi sul ruolo delle nanoparticelle nel miglioramento delle prestazioni del test del luminol, da confrontare con le spiegazioni proposte dai ricercatori autori della ricerca. Progetto To3-­‐nano Outreach Centro Agorà Scienza LABORATORIO 4 – INRIM Nanofabbricazione per Self-­‐Assembly Ricercatore responsabile: Luca Boarino Il Self-­‐Assembly (SA) molecolare e supramolecolare è il fenomeno fondamentale con cui la Natura fabbrica i propri organismi superiori. Questo fenomeno non è ancora compreso pienamente e i primi tentativi in laboratorio di organizzare e fabbricare strutture ordinate partendo da un singolo mattone fondamentale, molecole, macromolecole o sistemi ancora più grandi, non sono che dei goffi tentativi di emulazione di tecniche che la Natura ha sviluppato e ottimizzato in milioni di anni. Il fenomeno del SA utilizza singoli componenti, uguali tra loro, per formare strutture ordinate su livelli gerarchici sempre più complessi, grazie alla presenza di condizioni chimico fisiche controllate e ad alcune forze esterne opportunamente applicate. I processi di Self-­‐Assembly sono giunti alla ribalta della ricerca sulle Nanoscienze e Nanotecnologie perché i processi di miniaturizzazione e integrazione su larga scala, ad esempio della microelettronica, stanno raggiungendo dimensioni prossime a quelle molecolari e le tecnologie basate sull'auto-­‐organizzazione sono una delle poche alternative esistenti e perseguibili per fabbricare dispositivi con caratteristiche dimensionali in questo ordine di scala. L'esperimento che verrà condotto in INRiM, presso i laboratori Nanofacility Piemonte, ha l'obbiettivo di mostrare le peculiarità del SA di nanosfere di polistirene e di applicare tale processo alla nanostrutturazione di materiali e superfici, in particolare del silicio, materiale di fondamentale importanza per l’elettronica. Oltre alla scoperta degli elementi di base che regolano il Self-­‐Assembly, gli studenti riceveranno una breve formazione sulle tecniche di microscopia ottica ed elettronica, due degli strumenti fondamentali utilizzati all’interno dei laboratori INRiM per la caratterizzazione dei materiali. Inoltre verranno fornite loro le basi per imparare ad affrontare un problema in modo sistematico e scientificamente consistente. Immagini SEM di un monostrato ordinato di nanosfere di polistirene ad impacchettamento esagonale (NanoFacility Piemonte) Contatti: Dr. Luca Boarino ([email protected]), Giulia Aprile PhD Student ([email protected]) Progetto To3-­‐nano Outreach Centro Agorà Scienza LABORATORIO 5 – INRIM Quantum Weirdness: un viaggio nelle stranezze quantistiche Ricercatore responsabile: Marco Gramegna La teoria della Meccanica Quantistica sfida continuamente la nostra percezione della realtà e della Natura, descrivendo gli effetti di sistemi microscopici in maniera strana e completamente fuori dall’ordinario. Basti pensare al fatto che Richard P. Feynman, studioso sempre curioso e geniale che diede un contributo fondamentale alla fisica moderna, un giorno disse: “Penso si possa tranquillamente affermare che nessuno capisce la meccanica quantistica. [...] Dal punto di vista del buon senso essa descrive una Natura assurda. Tuttavia è in perfetto accordo con i dati sperimentali. Mi auguro quindi che riusciate ad accettare la Natura per quello che è: assurda.” Essendo la nostra esperienza quotidiana legata al mondo macroscopico, potrebbe sembrarci ovvio che le bizzarrie quantistiche si manifestino solo in laboratori sofisticati, ma non è esattamente così. Nei laboratori del gruppo di Ottica Quantistica INRiM esploreremo, infatti, in che modo alcuni fenomeni puramente quantistici possano svelarsi anche con semplici attrezzature, analizzando applicazioni sperimentali in cui i protagonisti saranno i fotoni, che ci condurranno in un intrigante viaggio alla scoperta della natura della luce, dell'interferenza (sia dal punto di vista classico che quantistico) e del dualismo onda-­‐
particella, svelandoci i loro "trucchi" per passeggiare negli universi paralleli. In particolare realizzeremo un'esperienza nota come l'esperimento del Quantum Eraser (il Cancellino Quantistico) a scelta ritardata, un concetto introdotto tempo fa dal fisico John A. Wheeler e che estende un'idea usata da Niels Bohr e Albert Einstein nelle loro discussioni del 1935 sulla meccanica quantistica e la natura della realtà. Questo effetto mostra una delle più strane caratteristiche della meccanica quantistica: la possibilità di compiere azioni che modificano la nostra interpretazione di quello che è successo in passato, come a dire che in fisica classica l’osservazione del presente consente di ricostruire il passato, in meccanica quantistica è invece il futuro a raccontarlo. I partecipanti al termine delle lezioni saranno in grado di riprodurre questo esperimento ovunque, con semplici attrezzature facilmente reperibili (e veramente economiche), e saranno informati sulla bibliografia essenziale. Una volta esplorato sperimentalmente quanto possa essere effettivamente controintuitiva la Natura a livello microscopico, vedremo quali sono le risorse che la meccanica quantistica mette a disposizione della ricerca scientifica attuale, e in particolare l'entanglement, il fenomeno che sta alla base del teletrasporto quantistico e di quella che è l’informazione e la computazione quantistiche, e allo stesso modo della crittografia quantistica, scienze emergenti che costituiscono una delle basi fondamentali della fisica di questo secolo appena agli esordi.
