L’acqua è un liquido quantistico (parte 1)

Nell’articolo precedente abbiamo introdotto il concetto di “Exclusion Zone” (EZ) dell’acqua, spiegando che queste zone godono di particolari proprietà(1) difficilmente spiegabili con l’artificiosa introduzione di potenziali elettrostatici classici applicati alla dinamica intermolecolare al solo fine di poter dare una plausibile interpretazione alle osservazioni sperimentali(2). Ragionando in questa scala di valori, liberare un elettrone dalla molecola d’acqua richiede un’enorme quantità di energia(3) assolutamente non raggiungibile mediante l’interazione elettrostatica fra molecole d’acqua adiacenti. Dunque la capacità riducente mostrata dall’acqua non può essere attribuita a fenomeni elettrostatici circoscritti ma va ricercata in una ben più intensa interazione di natura collettiva che coinvolge la dinamica di un gran numero di molecole. In questo articolo approfondiremo le implicazioni dell’elettrodinamica quantistica (QED) sulla termodinamica dell’acqua(4) e scopriremo come e perché tali implicazioni potrebbero giustificare l’effetto riducente non attribuibile alla ionizzazione.

Se eccitato da un campo elettromagnetico di fondo (vuoto quantistico), un insieme di molecole d’acqua può entrare in oscillazione tra due sue configurazioni interne. Ciascuna molecola d’acqua ha le dimensioni di circa 2 Angström (Å), mentre l’energia necessaria per consentire una transizione energetica da uno stato al successivo è pari a 12,06  eV e dunque, un fotone è in grado di fornire tale energia solo se la sua lunghezza d’onda è pari ad almeno circa 158 Å (5), cioè 80 volte più grande del diametro di una molecola d’acqua. Si tratta di verificare se le molecole d’acqua stanno fra loro sufficientemente vicine da poter essere eccitate contemporaneamente da uno stesso fotone dando luogo ad un processo di oscillazione collettiva che coinvolge tutte le molecole investite dal fotone.

Una prima molecola d’acqua eccitata da un fotone incidente può decadere rilasciando al fondo ambientale l’energia ricevuta oppure può trasmettere tale energia ad una molecola vicina eccitandola. Chiamando P la probabilità di eccitazione di una seconda molecola, N il numero di molecole presenti nel volume V = λ3 “investito” dal fotone ed n  = N/V la densità molecolare dell’acqua, ci sarà un valore critico di n (ncr), corrispondente ad un valore critico di V (Vcr = N/ncr) tale che PVncr = 1.

Tenendo conto del fatto che:

  • la distanza intermolecolare fra due molecole d’acqua contigue è pari a d = 17,6 Å (6)
  • il volume d’azione del fotone è pari a V = λ3 = 1583 = 3.912.534 Å3
  • il numero massimo di molecole contenibile nel volume V è pari a N = V/(d3·0,74048) = 1.852(7) molecole
  • n = N/V = 1.852/3.912.534 = 0,000473337 molecole H2O/ Å3

la massima probabilità P di eccitazione di una seconda molecola da parte della prima è pari a P = 1/V·n = 0,05%.

D’altro canto il fotone non ha alcuna probabilità di tornare al fondo ambientale e dunque resta intrappolato nell’insieme di molecole d’acqua. Ciò avviene per tutti i fotoni provenienti dal fondo ambientale e in brevissimo tempo, all’interno dell’insieme delle molecole contenute nel volume V, si crea un grande campo elettromagnetico crescente: è quel che gli scienziati chiamano Dominio di Coerenza (CD).  

Secondo un teorema generale di elettrodinamica, le altre molecole che transitano vicino al CD vengono attratte dalla risonanza al suo interno producendo l’enorme aumento di densità effettivamente osservato nella transizione vapore-liquido che termina solo quando i nuclei “duri” delle molecole vanno a stretto contatto fra loro. Il valore di saturazione raggiunto dall’acqua liquida è 1.600 volte più alto della densità del vapore acqueo. Secondo i calcoli matematici(4), la dinamica che si instaura mette gli elettroni in oscillazione permanente fra lo stato fondamentale e lo stato eccitato a 12,06 eV(8).

Il CD mantiene permanentemente al suo interno un campo elettromagnetico attivo di lunghezza d’onda pari a 158 Å, ossia 41,1·1013 Hz o ancora 165 eV. Secondo una proprietà generale della teoria quantistica dei campi, la frequenza del campo generato all’interno del dominio di coerenza è circa 7,5 volte inferiore a quello del campo libero. Questa rinormalizzazione della frequenza del campo per adeguarsi alla frequenza del CD è la causa del suo “auto-intrappolamento” ed elimina di fatto l’effettiva distinzione fra materia e campo. In realtà, ciò che otteniamo è un’intima “miscela” di materia e campo che potremmo definire “materia energizzata”(9).  

Il meccanismo di “auto-intrappolamento” si può capire bene partendo dalla definizione di massa relativistica m:

m2 = E2 – c2p2 = h22 – c22)

essendo p il momento e ν la frequenza (nel campo libero ν = c/ λ perché come noto il fotone ha massa zero).

Come abbiamo visto all’interno del CD, ν2 – c22 < 0 e dunque, apparentemente, il fotone avrebbe una massa negativa (o più precisamente una massa immaginaria). Ciò significa che non si può propagare come particella e si manifesta sottoforma di energia di coesione del CD.

In accordo con i calcoli matematici(4), una molecola d’acqua all’interno del CD si trova in una sovrapposizione fra stato fondamentale con probabilità pari a 0,87313 e stato eccitato con probabilità pari a 0,12687 e dunque mediamente l’energia di eccitazione è pari a 12,06 · 0,12687 = 1,53 eV, mentre il campo elettromagnetico intrappolato richiede un’energia pari a 3,55 eV per molecola.

Tuttavia l’energia di interazione tra il campo elettromagnetico intrappolato e la corrente elettrica prodotta dall’oscillazione della nuvola elettronica molecolare dà luogo ad un valore negativo di -5,34 eV, producendo un saldo netto di -0,26 eV per molecola; tale valore corrisponde anche alla frequenza di oscillazione collettiva coerente di tutte le molecole all’unisono all’interno del CD. Interpretando il fenomeno in questo modo, l’insorgenza della coerenza elettrodinamica corrisponde ad un abbassamento dell’energia totale e contemporaneamente ad un abbassamento della sua entropia poiché la coerenza prescrive un moto comune a tutte le molecole, riducendo nettamente il numero di microstati, il cui logaritmo è proprio proporzionale all’entropia.

Proseguiremo questa trattazione nel prossimo articolo.  

Torino – 26 settembre 2021

Gianfranco Pellegrini

Note

  1. Per una trattazione dettagliata della EZ si rimanda a Zheng JM, Chin WC, Khijniak E Jr, ed al. – Surfaces and interfacial water: evidence that hydrophilic surfaces have long impact. – Ad Colloid Interface Sci 2006; 23: 19-27. Qui si riassumono brevemente le principali caratteristiche della EZ:
    • All’interno della EZ l’acqua è pura e priva di qualunque altra sostanza in soluzione o in sospensione
    • L’acqua nell’EZ ha una viscosità superiore a quella dell’acqua normale
    • L’acqua in EZ è riducente mentre l’acqua normale è un blando isolante quindi, nell’interfaccia EZ / acqua normale, si realizza una pila REDOX la cui differenza di potenziale può raggiungere qualche frazione di Volt
    • La EZ diventa fluorescente se sottoposta a UV con frequenza pari a 2.700 Å.
  2. Franks ed al. – Water, a comprehensive treatise. 7° Vol. – New York, Usa: Plenum Press, 1982
  3. Si tratta di 12,6 eV. La frequenza necessaria per rilasciare questa energia corrisponde a 12.6 / 4.136 * 10-15 = 3.05 * 1015 Hz, cioè circa 3 PHz. La banda degli ultravioletti è compresa fra 0,75 PHz e 30 PHz, dunque per ottenere effetti ionizzanti sulla molecola d’acqua è necessaria una radiazione ultravioletta.  
  4. Arani R, Bono I, Del Giudice E, e al. – QED coherence and the thermodynamics of water – Int J Mod Physics 1995; 9: 1813-41
  5. λ = h·c/E = (1,054572 · 10-16 · 299.792.458/12,06) · 1010 ≈ 158 Å (essendo h la costante di Plank, c è la velocità della luce e λ la lunghezza d’onda).
  6. Nella molecola d’acqua la distanza intramolecolare (cioé la distanza tra atomi appartenenti alla stessa molecola) é pari a 10 Å mentre la distanza intermolecolare e’ pari a 17,6 Å. Come si vede questa distanza é molto inferiore a quella che avrei sommando i raggi di Van der Waals dei 2 atomi, anche se maggiore della distanza intramolecolare del legame covalente. Questo indica che il legame intermolecolare che si instaura ha delle proprietá particolari, tanto da meritare il nome speciale di legame idrogeno.
  7. Il numero 0,7048 deriva dalla soluzione del problema matematico conosciuto col nome di “impacchettamento di sfere” e riguarda la disposizione di sfere identiche non sovrapposte che riempiono uno spazio; questo problema trova applicazione pratica ad esempio nel confezionamento delle arance o nel trasporto delle angurie. Si tratta di un problema apparentemente semplice da risolvere ma che ha coinvolto menti del calibro di Keplero, Gauss, Töth; solo nel 1998 Thomas Hales annunciò la dimostrazione della congettura di Keplero: i “giudici” sentenziarono di essere “certi al 99%” della precisione della prova fornita da Hales, così la congettura di Keplero è stata “quasi” certamente provata. In pratica Hales ha “quasi” dimostrato che in ogni disposizione possibile, ogni sfera è circondata da altre 12 sfere e la densità media di ciascuna disposizione è pari π/√18 = 0,7048.
  8. Lo stato eccitato raggiunto dagli elettroni nel dominio di coerenza (12,06 eV) è più basso del livello di ionizzazione (12,60 eV) di soli 0,54 eV.
  9. Il termine “materia energizzata” è stato coniato alla fine dell’800 dal botanico tedesco Julius Sachs per denotare la sostanza costituente gli organismi viventi.

Campi VLF e acqua in dinamica biochimica

Nonostante le molecole d’acqua ammontino al 99%(1) di tutte le molecole presenti nella materia vivente, e nonostante sia noto che l’acqua interagisca in vari modi con i campi elettromagnetici naturali, nello studio dei meccanismi che regolano i processi vitali gli effetti dell’acqua e dei campi elettromagnetici vengono trascurati. Le molecole d’acqua sono enormemente più piccole e molto più semplici delle molecole organiche e ciò ci porta a pensare che, affinchè possano incidere sensibilmente sui meccanismi della vita, esse debbano agire in modo collettivo, cioè in cooperazione fra loro. Inoltre le reazioni biochimiche avvengono fra molecole che si trovano distribuite nel mezzo acquoso e che al momento della reazione si trovano molto distanziate fra loro.

Ogni azione di un organismo vivente anche minima come un battito di ciglio, corrisponde ad una catena di centinaia di migliaia di reazioni biochimiche complicatissime ciascuna delle quali avviene in tempi talmente infimi che l’intera catena di reazioni si svolge in una frazione di secondo. Quindi quando macroscopicamente assistiamo ad una qualunque azione, a livello microscopico stiamo parlando di una gran quantità di macromolecole molto distanti fra loro, immerse in un mezzo acquoso, soggette ad un gran numero di reazioni biochimiche, ciascuna sviluppantesi in tempi brevissimi; ma la cosa ancor più eclatante è che, se la stessa azione viene ripetuta, ri-avvengono quasi le stesse centinaia di migliaia di reazioni biochimiche che si ripetono quasi esattamente nella stessa sequenza temporale.

Per poter distinguere l’azione di un organismo vivente dall’algoritmo che muove un robot per comandargli l’esecuzione della medesima azione, ho dovuto aggiungere due “quasi”. Sono proprio quei due “quasi” che consentono alla materia vivente di evolvere rispetto ad un robot che eseguirà la medesima azione meccanicamente sempre esattamente allo stesso modo ma senza alcuna possibilità di evolvere(2). Queste osservazioni ci inducono a pensare che, affinchè tutto ciò possa avvenire, sia necessaria una qualche azione di tipo elettromagnetico e che l’acqua, oltre a costituire un mezzo che accoglie le macromolecole, giochi un ruolo determinante nelle sequenze di reazioni biochimiche. In tal senso, al fine di verificare che ruolo possano avere l’acqua e le onde elettromagnetiche, merita di essere approfondita l’interazione fra molecole d’acqua “organizzate” e campi elettromagnetici. In realtà gli studi di elettrodinamica quantistica effettuati in questi ultimi trenta anni hanno mostrato che l’acqua, assoggettata a campi elettromagnetici naturali è in grado di auto organizzarsi in “domini di coerenza” (Coherence Domains, CD)(3) all’interno dei quali migliaia di molecole oscillano alla medesima frequenza del campo magnetico generante. L’ipotesi è che i domini di coerenza siano in grado di agire sulle biomolecole stabilendo le sequenze di reazioni biochimiche, consentendo il riconoscimento delle biomolecole fra loro e fungendo da veri e propri acceleratori di reazione. Seguendo questa via, le reazioni biochimiche non avverrebbero secondo i classici meccanismi di dinamica diffusiva, bensì sarebbero governate dai campi elettromagnetici originati dalle molecole d’acqua che oscillano all’unisono all’interno dei domini di coerenza. Una dinamica di questo genere consente la diffusione di correnti ioniche non perturbabili dall’agitazione termica di fondo e governabili da campi elettromagnetici assai più deboli di quelli minimi consentiti dalla soglia kT(4). E. Del Giudice(5) e L. Giuliani(6) hanno applicato questo modello al caso particolare degli elettroliti mostrando che l’azione delle onde VLF (Very Low Frequency)(7) sugli ioni può essere spiegata grazie al loro effetto sulla dinamica dell’acqua. In particolare, l’effetto Zhadin(8) diventa una prova del fatto che la struttura interna dell’acqua è governata da campi elettromagnetici(9).    

In questo e nei prossimi articoli ripercorrerò sintetizzandolo e semplificandolo lo studio di E. Del Giudice e L. Giuliani “Coherence in water and the kT problem in living matter”, apparso nella monografia “Non-thermal effects and mechanisms of interaction between electromagnetic fields and living matter” – European Journal of Oncology – Library Vol. 5, edita nel 2010 dall’Istituto Nazionale per gli studi e controllo del Cancro “Bernardo Ramazzini” di Bologna.

Il fatto che le molecole organiche si trovino immerse nel mezzo acquoso ci induce a pensare che la dinamica delle reazioni biochimiche non può essere semplificata considerando dette macromolecole isolate dall’acqua che le permea; tale semplificazione ha portato A. Szent-Gyorgyi(10) nel 1957 ad affermare che i biologi non riusciranno a distinguere la materia animata da quella inanimata finchè continueranno a trascurare il fatto che le reazioni biochimiche avvengono in un mezzo acquoso e in presenza di campi elettromagnetici(11).    

Già negli anni ’50 del secolo scorso è stato scoperto che uno strato di acqua “speciale” spesso parecchie centinaia di micron chiamato EZ (Exclusion Zone) appare in adiacenza a superfici idrofile(12). GH. Pollack(13) sta conducendo da molti anni approfonditi studi su questo fenomeno(14). Siccome le superfici periferiche delle macromolecole possono essere assimilate a superfici idrofile, si può pensare che anche gli strati adiacenti alle superfici esterne delle macromolecole siano occupati da EZ. Ciò ci porta a concludere che in soluzioni concentrate i processi chimico-fisici siano molto diversi rispetto a quelli che avvengono in soluzioni diluite proprio perché in queste ultime le macromolecole risultano molte di meno e molto più distanziate fra loro e dunque anche questi strati di acqua “speciale” si riducono di conseguenza(15). La EZ manifesta le seguenti caratteristiche(16):

  1. All’interno della EZ l’acqua è pura e priva di qualunque altra sostanza in soluzione o in sospensione 
  2. L’acqua nell’EZ ha una viscosità superiore a quella dell’acqua normale
  3. L’acqua in EZ è riducente mentre l’acqua normale è un blando isolante quindi, nell’interfaccia EZ / acqua normale, si realizza una pila REDOX la cui differenza di potenziale può raggiungere qualche frazione di Volt
  4. La EZ diventa fluorescente se sottoposta a UV con frequenza pari a 2.700 Angstrong.

L’effetto riducente in EZ era già stato rilevato nel 1956 da Szent-Gyorgyi(17) che scoprì una lunga eccitazione elettronica di diverse specie molecolari interagenti con acqua normale. Egli suggerì che questa proprietà fosse all’origine del trasferimento di energia nei sistemi biologici, spiegando come l’energia legata delle biomolecole può essere trasformata in energia libera in grado di fornire lavoro utile. Seguendo questa linea di pensiero, Szent-Gyorgyi ha definito “vita” la dinamica interagente fra due distinti livelli di nuvole elettroniche delle molecole d’acqua: uno stato eccitato e uno stato di fondo. Alla base delle singolari proprietà REDOX vi è proprio questa dinamica elettronica riscontrabile nell’acqua di cui è costituita la materia vivente.       

Secondo questa visione dei fenomeni la vita può essere vista come una piccola corrente elettrica vagante dove il campo elettromagnetico trova un ruolo nella dinamica biologica; infatti i campi elettromagnetici sono in grado di interagire con le correnti di elettroni eccitati producendo importanti effetti biochimici in grado di governare le sequenze di reazioni.  

Nei prossimi articoli, basandoci sugli studi di G. Preparata(18) esamineremo i fenomeni fin qui descritti dal punto di vista dell’elettrodinamica quantistica (QED)(19). Partiremo dalla descrizione dell’effetto Zhadin che fornisce un esempio di interazione “non termica” fra campo elettromagnetico e materia vivente; vedremo che i suoi effetti sulla interazione fra debolissimi campi magnetici di bassissima frequenza e correnti di ioni possono essere utilizzati come sonda per testare alcuni fenomeni tipici di QED.

S. Antioco – 21 agosto 2021

Gianfranco Pellegrini

Note

  1. E’ vero che misurando la percentuale in peso l’acqua arriva solo al 60/70% ma questo perché le molecole organiche sono molto più pesanti di quelle dell’acqua; se però ragioniamo in termini di numero di molecole la percentuale di molecole d’acqua arriva appunto a superare il 99%. Per maggiori approfondimenti si rimanda al precedente articolo “Acqua e vita”.
  2. In realtà la potenza di calcolo dei moderni calcolatori consente di imitare l’approccio biologico e di realizzazione sistemi AI (Artificial Intelligence) e di autoapprendimento
  3. Per approfondimenti vedi anche l’articolo precedente “I domini di coerenza dell’acqua”.
  4. Una macromolecola è in grado di risuonare con il CD quando la differenza tra una delle sue frequenze e la frequenza del CD è inferiore al “rumore termico” kT, che a temperatura ambiente è pari a 0.025 eV.
  5. Emilio Del Giudice (1940 – 2014) è stato un fisico teorico dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), membro dell’International Commission for Electromagnetic Safety, membro dell’International Institute of Biophysics; ha lavorato presso l’Istituto Niels Bohr di Copenaghen, ha eseguito assieme a Giuliano Preparata approfonditi studi sulla materia condensata; è stato fra i pionieri della teoria delle stringhe e pioneristico è stato anche nell’applicazione della teoria quantistica dei campi alla materia soffice (soprattutto applicata all’acqua) 
  6. Livio Giuliani (1950 – ) è stato Direttore del dipartimento UOT dell’Istituto Nazionale di Prevenzione e Sicurezza negli ambienti di lavoro (ISPESL)
  7. Blackman CF, Bename SG, House De, et al. Effects of ELF (1-120 Hz) and modulated (50 Hz) RF fields on the efflux of calcium ions from brain tissue in vitro. Bioelectromagnetics 1985; 6: 1-11.
  8. Mikail Zhadin (1935 – 2015) – Dottore in Biologia, in fisica e in matematica; è stato Direttore del laboratorio di neurocibernetica degli insiemi cellulari all’Istituto di Biofisica cellulare di Mosca, nonché membro dell’accademia russa di Scienze naturali; autore di 170 pubblicazioni in Biofisica e Neurofisiologia.
  9. M. Zhadin – On mechanism of combined extremely weak magnetic field action on acqueous solution of amino acid – European Journal of Oncology – Library Vol. 5, 2010.
  10. Albert Szent-Gyorgyi (1893 – 1986) – Scienziato ungherese vincitore del Nobel per la medicina e la fisiologia nel 1937 a cui viene attribuita la scoperta della vitamina C e delle componenti e reazioni del ciclo di Krebs.
  11. Szent-Gyorgyi A. Bioenergetics. Academic Press, New York, 1957
  12. Henniker JC. The depths of surface zone of a liquid. Rev Mod Physics 1949; 21: 322-41.
  13. Gerald H. Pollack (1968 –   ), Ordinario di Bioingegneria alla Washington University, vincitore nel 2012 della medaglia Prigogine – Fondatore/Editore della rivista scientifica internazionale WATER
  14. Pollack GH, “La quarta fase dell’acqua – Oltre la forma liquida, solida e gassosa”, Ed. Sapio – 2018.
  15. Pollack GH, Cells, gels and engines of life. Ebner & Son, USA; 2001.
  16. Zheng JM, Chin WC, Khijniak E Jr, et al. Surfaces and interfacial water: evidence that hydrophilic surfaces have long impact. Ad Colloid Interface Sci 2006; 23: 19-27
  17. Szent-Gyorgyi A. Bioenergetics. Science, 1956; 124: 873-5.
  18. Giuliano Preparata (1942 – 2000). Ha insegnato Fisica Teorica nelle più prestigiose università americane (Princepton, Haward, Rockfeller, New York University), Sfaff member nella Teory Division al CERN di Ginevra; esperto di fisica delle particelle contribuendo alla costruzione del modello standard; ha avanzato nuove teorie su soluzioni coerenti della QED in sistemi sufficientemente densi; Assieme alla biologa molecolare Cecilia Saccone hanno proposto il  modello Markoviano di evoluzione molecolare; ha oltre 400 lavori al suo attivo (fisica del laser, superfluidità, superconduttività, materia condensata, ecc.); in una serie di lavori sperimentali si è occupato delle proprietà dei campi elettromagnetici dell’acqua, proseguiti nel 2009 dal Nobel per la medicina L. Montagnier.
  19. Preparata G. QED Coherence in matter. World Scientific, Singapore, 1995. Vedi anche Del Giudice E, Vitiello G. Role of the electromagnetic field in the formation of domains in the process of symmetry-breaking phase transition. Physical Rev A 2006; 74.

Interazioni intermolecolari nell’elio

L’esistenza della fase condensata nell’acqua dimostra inequivocabilmente che esistono forze intermolecolari di tipo attrattivo fra le molecole stesse e di tipo repulsivo che si oppongono alla compressione delle molecole fra loro; in particolare le forze attrattive dipendono dalle interazioni coulombiane tra le particelle elementari in gioco e dalla polarizzazione delle molecole d’acqua.

Come abbiamo avuto modo di descrivere dettagliatamente in articoli precedenti(1) ciascun atomo di idrogeno costituente la molecola d’acqua ha una elettronegatività pari a circa 0,2 mentre l’atomo di ossigeno ce l’ha pari a -0,4; ciò determina una polarizzazione molto elevata che da origine ai cosiddetti legami a idrogeno. A questi scambi energetici si sommano quelli dovuti all’agitazione termica che a temperatura ambiente risultano particolarmente rilevanti.

Oltre a questi fenomeni di natura elettrostatica e di natura termodinamica, nell’acqua si manifestano interazioni di natura elettromagnetica che danno luogo a oscillazioni coerenti. Purtroppo gli scambi energetici fra la radiazione elettromagnetica e le molecole d’acqua sono di entità nettamente inferiore rispetto a quelli di natura elettrostatica e di natura termodinamica e dunque vengono sovrastati da questi ultimi. D’altro canto, risulta sperimentalmente impossibile separare gli effetti di ogni singola tipologia di interazione e dunque non si riesce a far emergere gli effetti dovuti alle sole interazioni elettromagnetiche

Tuttavia, dal punto di vista delle interazioni elettromagnetiche, considerazioni teoriche portano ad una analogia di comportamento fra l’acqua è l’isotopo 2 dell’elio quindi, studiare l’HE2 ci può dare informazioni utili anche sull’acqua. L’elio, essendo un gas nobile, non manifesta interazioni intermolecolari di tipo elettrostatico ma risente dell’agitazione termica dunque, per poter ridurre questi effetti che disturberebbero l’analisi, occorre ridurla il più possibile. Da qui la necessità di effettuare la sperimentazione a temperature vicinissime allo zero assoluto.

Il grande premio nobel per la fisica  Pyotr Leonidovich Kapitza nel 1937 ha pubblicato un articolo(2) in cui descrive una serie di proprietà dell’elio a temperature al disotto del punto λ, fra cui la superfluidità.  

Lo scienziato americano Tisza(3) tenta senza successo di interpretare il fenomeno della superfluidità considerando l’elio un bosone degenere in quanto a queste temperature l’elio si trova allo stato il liquido e dunque non può di certo essere considerato un gas ideale, ma soprattutto agli atomi non eccitati non può essere impedito di entrare in collisione con quelli eccitati il cui attrito generato impedisce l’emergenza di fenomeni di superfluidità.

Finalmente nel 1941 lo scienziato russo Lev Davidovich Landau(4) giustifica il fenomeno della superfluidità ipotizzando che il “movimento potenziale” (Rot v = 0) abbia un livello energetico quantistico inferiore a tutti i livelli di “movimento vorticoso” (Rot v ≠ 0) e questa ipotesi si dimostra consistente(5).

Ciò significa che la condizione Rot v = 0 si conserva, ossia che un liquido quantistico possiede stati stazionari di “movimento potenziale” mentre non esistono stati stazionari di “movimento vorticoso” (Rot v ≠ 0); in altri termini, nel liquido quantistico non esiste transizione continua fra stati di movimento potenziale e vorticoso. Perciò, tra il più basso livello del movimento potenziale e di quello vorticoso deve esistere un certo intervallo energetico non nullo(6). Anche se non è logicamente possibile indicare quale dei livelli sia quello più basso fra i due, l’ipotesi che il livello corrispondente al movimento potenziale sia più basso dell’inizio dello spettro relativo al movimento vorticoso porta a giustificare il fenomeno della superfluidità. Landau giustifica la superfluidità dell’elio liquido a temperature inferiori al punto λ proprio ipotizzando che si verifichi questo caso.

Ogni stato debolmente eccitato deve essere considerato come una combinazione di eccitazioni elementari e, nel caso del movimento interno potenziale, tali eccitazioni altro non sono che quanti di onde (sonore) longitudinali chiamate fononi.

In analogia ai fononi, le eccitazioni elementari dello spettro vorticoso possono essere chiamati rotoni ed hanno un’energia funzione quadratica del momento(7).

Se la densità di fononi e rotoni non è troppo elevato(8), l’insieme che ne risulta può essere considerato alla stregua di un miscuglio di due gas ideali.

Il gas fononico obbedisce alla statistica di Bose e dunque, nel caso in cui kT<<∆,  si può applicare la distribuzione di Boltzmann.

In definitiva la capacità termica dell’elio II può essere suddivisa in una parte fononica proporzionale a T4 ed una parte rotonica proporzionale a e-∆/kT. In effetti a temperature inferiori a 1°K si sperimenta un effetto fononico predominante sul valore della capacità termica(9).

Allo zero assoluto l’elio si trova in una condizione di normale stato non eccitato.; se la velocità del flusso non è troppo grande quando scorre attraverso un capillare, l’interazione tra l’elio e le pareti del capillare non può portare ad un’eccitazione di moto interno (cioè a una dissipazione di energia) e dunque il liquido avrà viscosità nulla(10).

A temperature superiori allo zero assoluto si ha un certo numero di fononi e rotoni. Se consideriamo l’elio, da un calcolo statistico risulta che in un recipiente rotante si stabilisce un equilibrio statistico diverso da quello che si stabilisce in un recipiente fermo; ciò perché il gas di rotoni e fononi ruota con il vaso come se fosse “trasportato” dalle sue pareti.

Se le pareti del recipiente sono in moto, solo una parte dell’elio viene trasportata dalla loro rotazione, mentre la restante parte rimane stazionaria. Dunque, in queste condizioni, potremmo considerare l’elio liquido come costituito da un miscuglio di due liquidi di cui uno “normale” e l’altro (superfluido) avente viscosità zero e non trasportato dalle pareti del recipiente. L’interazione fra questi due “fluidi” non genera attrito fra loro(11). Mentre parlare di due fluidi è una semplificazione esplicativa che non rappresenta la realtà fisica, le condizioni di moto sono invece effettivamente due: normale e superfluido.

Al variare della temperatura la densità dell’elio è data dalla somma della “densità normale” e della “densità superfluida”: a T = 0 la “densità normale” è nulla e cresce al crescere della temperatura fino al punto λ oltre il quale la “densità superfluida” si annulla e la densità diventa tutta “normale”(12).  La parte superfluida non trasporta calore quindi, in condizioni di totale superfluidità si ha la reversibilità termodinamica. Ad esempio nel caso di elio che attraversa una fessura molto stretta il fluido che scorre attraverso alla fessura è tutto superfluido e dunque senza attrito(13).

Riguardo al riscaldamento del liquido nel recipiente al fluire dell’elio nel capillare stretto le formule sono quelle ricavate da Londona partire da quanto proposto da Tisza e confermano appieno gli esperimenti di Kapitza(14). In un capillare il flusso di calore dall’estremo più caldo a quello più freddo dovuto alla parte “normale” si sommo al flusso di “calore negativo” dall’estremo più freddo a quello più caldo dando luogo ad un trasferimento di calore assai elevato.

Dal punto di vista idrodinamico si possono considerare due distinte velocità: quella normale vn e quella superfluida vs (con Rot vs =0)(15).

L’utilizzo delle equazioni descritte in questo articolo portano a due differenti valori della velocità del suono per l’elio II u1 = ∂p/∂ρ e u2 = (Ts2ρs/Cρn)1/2 ; per T à λ u2 à 0, mentre per T à 0 u1 à c e u2 à √3.

Torino 17 aprile 2021

Gianfranco Pellegrini

Note

1) Vedi l’articolo “La chimica semplice applicata all’acqua”.

2) P. L. Kapitza, Nature 141, 74 (1937), USSR 18, 28 (1938)

3) L. Tisza, Nature 141, 913 (1938)

4) USSR 60, (1941)

5) I calcoli effettuati da Landau conducono alle seguenti regole di commutazione:

Da queste formule emerge che Rot v commuta con ρ e v e dunque anche con l’Hamiltoniana esclusivamente quando è nullo su tutto il volume occupato dal liquido.

6) E’ importante sottolineare che i livelli energetici di cui stiamo parlando non sono quelli del singolo atomo di elio, bensì quelli del liquido nel suo insieme.

7)  

  (μ è la massa effettiva del rotone e l’energia è misurata a partire dallo stato normale del liquido).

8) Cioè se la temperatura del liquido è sufficientemente bassa.

9) W. H. Keesom & A. P. Keesom, Physica 2, 557 (1935)

10) A causa del gap energetico esistente nello spettro, i rotoni possono essere eccitati solo se            v > (2∆/μ)1/2 e i fononi solo se v > c (ciò a causa della dipendenza lineare della loro energia dal momento).

11) Cioè alcun momento fra un fluido e l’altro.

12) Chiamando ρn e ρs rispettivamente la densità del “fluido normale” e del superfluido, la densità ρ è pari a ρ = ρn + ρs con ρn = 0 a T = 0°K e ρ = ρs a T = λ. Considerando il rapporto fra fononi e rotoni si può scrivere:

.

Questa formula può essere utilizzata anche per calcolare il valore di λ ottenendo λ = 2,30°K rispetto al valore conosciuto che è pari a λ = 2,19°K.

13) Per ottenere questo risultato l’elio in uscita dovrebbe essere a una temperatura inferiore a quella dell’elio II contenuto nel recipiente iniziale (nel caso ideale dovrebbe trovarsi allo zero assoluto).

14) H. London, Proc. Royal Society A171, 484 (1939). P. L. Kapitza, Phys. Rev. 60, 354 (1941).

15) Le formule ricavate da Landau sono valide su superfici rigide in cui vs soddisfa le condizioni al contorno di un liquido ideale e il valore di vn non è troppo elevato.

La “fragranza”

Finalmente dopo quasi un anno mi accingo a scrivere un nuovo articolo sul blog. Non si è trattato di un periodo di inattività, bensì di approfondimenti su alcuni argomenti che mi consentissero di poter affrontare in modo rigoroso il tema in oggetto. Per la verità rimarrebbero ancora alcune questioni aperte ma stavolta non più di natura squisitamente tecnico – scientifica quanto piuttosto metodologica; infatti rimane la difficoltà di riuscire a spiegare in modo semplice quali sono gli obiettivi che mi prefiggo di raggiungere con questo studio e inoltre, la multidisciplinarità coinvolta rende difficile mettere tutti i tasselli al loro posto in modo organico e coerente. Infine non posso negare che l’argomento nel suo insieme è assai complesso e coinvolge calcoli a volte ostici e ragionamenti molto lunghi da argomentare.

Tutto quanto premesso porterà inevitabilmente a dover suddividere la trattazione in numerosi articoli di cui i primi inevitabilmente quasi esclusivamente descrittivi; In ogni caso, al fine di evitare di ripetermi o di appesantire la trattazione con calcoli lunghi e ostici e quindi inutilmente noiosi, mi vedrò costretto a fare numerosi rimandi ad approfondimenti già fatti in miei articoli precedenti e a riferimenti bibliografici destinati a quegli specialisti che avessero tempo e voglia di ulteriori approfondimenti.

Con questo primo articolo comincerò col fare alcuni esempi semplici che mi consentiranno di mostrare quali sono gli obiettivi che mi prefiggo di raggiungere e dove elencherò tutte le varie discipline coinvolte e cercherò di spiegare le interconnessioni fra i vari argomenti secondo un approccio che non potrà che essere squisitamente olistico.

Quindi procederò con una serie di articoli monotematici dove cercherò di descrivere in modo più esaustivo possibile alcuni articoli scientifici e i risultati ivi raggiunti.

Seguirà un articolo conclusivo di sintesi che farà da “train d’union” e metterà insieme tutti i pezzi del puzzle.

Per essere precisi il significato letterale della parola fragranza è: “odore intenso, gradevole e delicato”, ma in questo contesto intendo estenderne il significato e riferirmi, oltre che all’aspetto meramente olfattivo, anche all’aspetto visivo esteriore e all’’aspetto gustativo manifestato dal cibo naturale(1), cioè di quel cibo derivante da ciò che prima di diventare cibo era materia vivente viva. Se pensiamo ad esempio ad un frutto appena colto dall’albero mostrerà colori vividi, emanerà odori intensi e produrrà sapori genuini tanto che sarà difficile distinguerlo da uno stesso frutto ancora appeso all’albero. Poi, man mano che passa il tempo, anche mantenendolo in condizioni microclimatiche di conservazione ottimali, degraderà inesorabilmente fino a perdere completamente la sua fragranza, a rinsecchire e infine a marcire.

E’ come se avvenisse una forma di trapasso – più o meno lenta ma inesorabile – da una condizione di materia vivente viva a materia vivente morta. Al fine di mitigare l’effetto psicologico ingenerato sul compratore dal degrado in atto, la filiera dal produttore al consumatore utilizza vari tipi di stratagemmi come ad esempio sigillare con ceralacca l’estremo del gambo tranciato, lucidare la scorza con cere, illuminare il prodotto intensamente con colori caldi nei banconi di vendita, ecc. Aldilà di queste particolarità ogni frutto avrà una sua specifica resistenza (oggi sarebbe più di moda dire resilienza) più o meno marcata alla perdita di fragranza: ad esempio le mele o gli ananas normalmente resistono più di agrumi, pere, kiwi. L’esempio delle patate è ancora più eclatante perché, una volta sradicate e conservate per lungo tempo, se immerse in acqua riescono a germogliare e a proseguire a vivere sottoforma di una nuova pianta di patata. Nel caso dei semi poi, si conservano per millenni, magari anche a temperature bassissime, e dopo millenni sono ancora in grado di germogliare. Passando dal mondo vegetale a quello animale il processo di degrado della fragranza risulta assai più veloce. Un pesce appena pescato o la carne di un animale appena ucciso perdono di fragranza assai velocemente e in ogni caso, il processo di passaggio da sostanza vivente viva a sostanza vivente morta è in questi casi irreversibile.

Chi ha la mia età si ricorda sicuramente degli anni in cui in casa non c’era ancora il frigorifero e ci si approvvigionava giornalmente di cibo fresco quasi tutto sfuso. E’ vero che c’erano già anche gli omogeneizzati, le scatolette, le conserve, ecc. ma la stragrande maggioranza del cibo consumato era costituito da frutta e verdura fresca, carne appena macellata, pesce appena pescato, latte appena munto, uova appena raccolte, pane appena sfornato, cereali, legumi, ecc.

Oggi è tutto diverso, la filiera alimentare non può fare a meno di conservare, affumicare, salare, stagionare, refrigerare, surgelare, congelare, inscatolare, imbottigliare.

La domanda che è lecito porsi è se la qualità del cibo di cui ci stiamo nutrendo è esattamente la stessa di quella antica ovvero se stiamo perdendo qualcosa.

Oggi le normative internazionali impongono di etichettare il cibo indicando obbligatoriamente numerosi parametri come la percentuale di sostanza edibile, il valore energetico, le percentuali di grassi, carboidrati, proteine, la scadenza, le condizioni di conservazione, ecc; non si parla mai di aspetto esteriore, profumo, sapore. Per la verità, sull’aspetto esteriore si fa molto, persin troppo: i frutti sono tutti grandi (forse meglio dire gonfi), tutti uguali fra loro, belli lucidi, esenti da bachi, bellissimi da vedere nei banconi di vendita. Il profumo e il sapore invece, sono purtroppo un lusso che si può permettere solo chi ha la fortuna di poter mangiare cibo ancora fragrante, e che non ha subito alcun tipo di adulterazione quando era in vita.

Chi come me, nonostante questo degrado lento progressivo e inesorabile del livello di fragranza è riuscito a mantenere viva una certa sensibilità alla genuinità originaria, riconosce immediatamente un cibo fragrante da un cibo “artificiale” ma, si tratta di semplice constatazione in quanto non vi è modo di apprezzare differenze oggettive che consentano di mettere veramente a confronto i due tipi di cibo.         

Questa rassegna di articoli intende approfondire l’argomento della fragranza da un punto di vista scientifico evidenziando quali sono gli studi recenti che si stanno facendo nel mondo.

La prima premessa importante da fare è dire che il cibo naturale altro non è che ex sostanza vivente viva.

Quando parliamo di sostanza vivente ricordiamoci che stiamo parlando di acqua e pochissimo altro. C’è un’informazione sbagliata secondo cui la sostanza vivente è costituita da circa il 70% di acqua senza specificare che quella è la percentuale in peso. Ai fini delle miriadi di reazioni biochimiche che avvengono in ogni istante nella sostanza vivente viva, la percentuale in peso non indica assolutamente nulla. Ai fini delle reazioni biochimiche, ciò che conta veramente non è certo la percentuale in peso, bensì il numero di molecole di ciascuna specie che costituisce la sostanza vivente. A parte le molecole inorganiche e i singoli elementi, il cui numero è veramente esiguo, oltre alle molecole d’acqua vi è un numero importante di molecole organiche che mediamente pesano circa 400 volte di più di una molecola d’acqua !!!! E’ a causa di questa differenza di peso che nasce l’enorme divario fra il numero di molecole d’acqua rispetto a quelle organiche. Ecco perché, per poter ragionare in modo corretto è fondamentale dire che nella sostanza vivente il numero di molecole d’acqua – tutte uguali fra loro – è pari al 99,99% e solo il rimanente 0,01% è da suddividere fra i milioni di tipologie diverse di altre molecole (organiche, inorganiche e altri elementi chimici)(2) – tutte diverse fra loro. Data questa enorme supremazia del numero di molecole d’acqua rispetto a tutte le altre molecole, diventa naturale arguire che in tutti i fenomeni che coinvolgono la materia vivente, l’acqua debba giocare un ruolo da protagonista. Ecco perché nel proseguo dello studio concentreremo le nostre attenzioni su alcune proprietà, caratteristiche e comportamenti dell’acqua.

Fra tutti gli scambi energetici che avvengono a livello intramolecolare, non ci occuperemo di quelli dovuti agli urti fra molecole e all’agitazione termica (quelli tipicamente studiati dalla termodinamica) bensì di quelli dovuti alle oscillazioni coerenti, ci occuperemo cioè dell’interazione fra radiazione elettromagnetica e le molecole d’acqua (quelli tipicamente studiati dalla elettrodinamica quantistica)(3).             

Dal punto di vista teorico, anche se si tratta di teorie estremamente complicate, i risultati risultano convincenti. Anche le simulazioni virtuali sembrano rappresentare in modo soddisfacente quanto previsto dalla teoria. Sfortunatamente, fra le tante anomalie che manifesta l’acqua, vi è quella che alcuni comportamenti che dovrebbe manifestarsi a certe temperature molto basse, in realtà li manifesta a temperature ben più alte; ciò rende assai complicato riuscire a separare le interazioni energetiche dovute alle oscillazioni coerenti da quelle dovute agli urti fra molecole  e all’agitazione termica e dunque quest’ultime disturberanno l’esperimento rendendolo all’atto pratico inutile. Siccome però si è constatato che questi fenomeni che accadrebbero nell’acqua hanno notevoli similitudini con quelli che si manifestano nell’isotopo 2He supere nell’ 4He superfluido a temperature prossime allo zero assoluto, cioè a temperature talmente basse che l’effetto termodinamico diventa pressochè irrilevante e tale da consentirci di rilevare le energie dei rotoni e dei fononi e altri effetti come quelli derivanti dall’aggregazione delle molecole di Helio sottoforma di domini di cooerenza; ecco perché sarà importante descrivere gli esperimenti in tal senso realizzati da Landau. Per quel che riguarda infine la frequenza delle radiazioni si tratta di frequenze ultrabasse (ULF – Ultra Low Frequancies) in genere utilizzate nelle comunicazioni fra sottomarini e frequenze estremamente basse (ELF – Extremely Low Frequency)  in genere utilizzate nelle comunicazioni in miniera. Su questo punto attingeremo da lavori fatti dall’Istituto Ramazzini di Bologna in merito ad approfondimenti volti a verificare eventuali effetti oncologici favoriti da questa tipologia di radiazioni. Naturalmente noi utilizzeremo i risultati di questi lavori per i nostri scopi e non per i fini oncologici per i quali sono stati sviluppati.     

Resta ancora da dire che l’acqua facente parte della materia vivente sembra essere costituita in parte da acqua liquida come tutti la conosciamo ma in gran parte da raggruppamenti di molecole chiamati “domini di coerenza” in cui le molecole oscillano tutte all’unisono a frequenze ben definite. Per gli approfondimenti di questo argomento faremo uso del testo di G. Preparata intitolato “QED coherence in matter”.

A questo punto credo che abbiamo tracciato la strada maestra e non ci resta che cominciare la nostra avventura alla scoperta dei segreti di quella che in modo esteso abbiamo definito “fragranza”.

Torino 28 febbraio 2020

Gianfranco Pellegrini

Note

  1. Oggi, come sappiamo è possibile cibarsi anche di prodotti realizzati esclusivamente per sintesi chimica come dimostrano le pillole di cui si nutrono gli astronauti.
  2. Per maggiori dettagli si veda anche il mio articolo “Acqua e vita”.
  3. La QED (Quantum ElectroDynamics) è una disciplina sviluppatasi nella seconda metà del secolo scorso che, tra l’altro, studia l’interazione quantistica fra le onde elettromagnetiche e la materia .

La fisica in aiuto della epidemiologia

In questo articolo intendo mostrare come la fisica sia in grado di dare risposte alle seguenti domande inerenti l’evoluzione e la diffusione di Covid -19:

  • La diffusione è la stessa in tutte le zone del mondo ?
  • La diffusione cambia nelle varie stagioni dell’anno ?

Prima di rispondere a queste domande occorre dire qualcosa sui raggi ultravioletti.

Si tratta di onde elettromagnetiche aventi lunghezza d’onda in una banda compresa fra la luce visibile e i raggi X.

Il grafico sopra riportato mostra lo spettro solare e, in particolare, l’area a sinistra del visibile rappresenta i raggi ultravioletti.  Il grafico indica che, più è piccolo lo strato di atmosfera sopra la nostra testa, maggiore è la radiazione: in particolare quella visibile, ma anche quelle infrarossa e ultravioletta. Questo perché l’atmosfera ha un effetto assorbente che mitiga la radiazione che incide sulla crosta terrestre.

Vediamo quali sono le zone della terra dove lo spessore atmosferico è più basso. Sicuramente più saliamo di quota e meno atmosfera ci ritroviamo sopra la nostra testa quindi, ad esempio, chi è in volo a 8.000 m.s.l.m. oppure chi si trova sulla cima dell’Everest si ritroverà uno strato atmosferico sovrastante assai inferiore a chi si trova a livello del mare. Inoltre, tenendo conto che l’atmosfera terrestre ha una forma ellissoidale, più schiacciata ai poli e più spessa all’equatore, chi si trova ai poli avrà uno strato atmosferico sovrastante minimo mentre chi si trova all’equatore lo avrà massimo.

La figura sopra riportata mostra però, che lo strato di atmosfera attraversato dalla radiazione solare dipende anche dall’inclinazione dell’asse terrestre e dall’angolo di incidenza della radiazione solare.

L’inclinazione dell’asse terrestre fa sì che lo strato atmosferico passi nell’arco delle ventiquattro ore da un valore minimo ad un valore massimo. L’angolo di incidenza della radiazione solare cambia invece nell’arco dell’anno assumendo valori massimi e minimi ai solstizi e agli equinozi, ma è diverso anche per i due emisferi terrestri nel senso che quando è massimo nell’emisfero boreale diventa minimo in quello australe e viceversa.

Queste considerazioni ci portano a concludere che sicuramente la radiazione solare, e in particolare quella ultravioletta, sono diverse nelle varie zone della crosta terrestre e cambiano di ora in ora e di giorno in giorno. Ecco ad esempio un grafico pubblicato da  “3Bmeteo” che mostra la variazione annuale di radiazione ultravioletta a Roma.

Ma che c’entrano i raggi ultravioletti col Covid-19 ?

I virus, rispetto agli esseri viventi complessi vengono annientati dai raggi UV. Ad esempio l’uomo viene colpito solo a livello epidermico e comunque, la produzione di melanina costituisce una valida protezione per la pelle contro gli UV; nonostante ciò, l’abuso di esposizione al sole, può comunque essere nocivo per la pelle portando a volte anche a evoluzioni tumorali epidermiche.

Ben diverso è il discorso per i virus. Ad esempio, gli UV emessi dalle lampade ai vapori di mercurio con lunghezza d’onda pari a 254 nm sono in grado di distruggere i legami molecolari del DNA dei microrganismi, producendo dimeri di timina nel loro DNA e distruggendoli, rendendoli innocui o impedendo la loro crescita e riproduzione.

Guardando al grafico sopra riportato possiamo constatare che a Roma a giugno la radiazione UV in grado di colpire il coronavirus è ben quattro volte superiore rispetto a quella relativa al mese di febbraio.  

Non vi è dubbio che, come tutti gli organismi viventi, anche i virus siano soggetti a continui mutamenti genetici anzi, trattandosi di organismi così semplici, tali mutamenti generano in essi cambiamenti macroscopici e veloci rispetto ai cambiamenti impercettibili e lenti afferenti agli organismi viventi complessi. E gli UV sono proprio fra i maggiori responsabili di queste mutazioni genetiche.

Ciò che mi è difficile credere è che fra i miliardi di miliardi di possibili mutazioni, avvenga proprio esattamente quella che rende i virus meno aggressivi; non solo, ma miliardi di miliardi di virus subiscono esattamente e contemporaneamente proprio questo tipo di mutazione.

Preferisco più semplicemente credere che se a giugno i virus vengono irradiati con gli UV quattro volte di più che a febbraio, risultino quattro volte meno numerosi e dunque per questo e solo per questo meno virulenti.

Torino   2 giugno 2020

Gianfranco Pellegrini

L’acqua strutturata

Prima di affrontare questo nuovo argomento è forse il caso di rinfrescarci la memoria con quanto detto nell’articolo precedente intitolato “Potere solvatante dell’acqua”. Abbiamo visto che la solvatazione porta alla creazione di zone che abbiamo chiamato zona “A”, in cui le molecole d’acqua si trovano direttamente a contatto col soluto “S” e dunque risultano più o meno polarizzate a seconda dell’atomo solvatato (1). Abbiamo poi definito una zona “C” occupata dall’acqua non interessata alla solvatazione e dove le molecole d’acqua si trovano legate fra loro mediante il legame idrogeno e dunque disposte in catene lineari più o meno lunghe o in catene cicliche. Infine abbiamo chiamato zona “B” la zona di interfaccia fra la zona “A” e la zona “C”, in cui le molecole d’acqua subiscono l’influenza sia da parte delle molecole della zona “A”, sia da parte di quelle imperturbate della zona “C”. Il raggio minimo della zona “B” è pari a quello della zona A (≈5 Å) mentre il suo raggio massimo è facilmente ricavabile mediante la formula:

essendo nmax il numero massimo di molecole d’acqua al disopra del quale non vi è praticamente più effetto polarizzante(2). La figura sottoriportata è una rappresentazione di queste zone che si formano nella soluzione.

Negli articoli precedenti abbiamo analizzato con attenzione ciò che accade nella zona “A”, ora vediamo cosa accade in zona “B” tenendo conto che, in questo caso non abbiamo risultati sperimentali a conforto dei ragionamenti che ci accingiamo a fare.

Aumentando la concentrazione di un soluto può accadere che ad un certo punto il soluto cominci a precipitare oppure che la soluzione si trasformi in una forma gelatinosa a metà strada tra la forma liquida e quella solida. Dato che il volume della soluzione resta costante, all’aumentare della concentrazione di soluto aumenta il numero di zone “A” (cioè il volume occupato dalla zona “A”) e di zone “B” a discapito delle zone “C” che si riducono corrispondentemente. La presenza delle zone “C” garantisce la separazione delle zone “A” polarizzate e schermate dalle zone “B”. Nel momento in cui, all’aumentare del soluto, le zone “C” si riducono troppo, avviene quella che si chiama transizione sol-gel in cui il liquido diventa coerente. Ci sono dei casi in cui la percentuale di soluto in grado di formare il gel è minima e ciò porta ad escludere che il responsabile della formazione di gel sia la zona “A” e dunque il soluto(3). D’altro canto dobbiamo anche escludere che responsabile sia la zona “C” in quanto è costituita da acqua pura. Non ci resta che pensare alla zona “B”; l’ipotesi è che la zona di transizione “B” sia costituita da acqua “strutturata”, ossia da acqua le cui molecole sono legate fra loro in modo coerente(4). Sembra quasi che ci sia un’analogia fra acqua gelata (ghiaccio) e acqua gelatinosa (gel). Il ghiaccio è così consistente per via della struttura cristallina esagonale ben conosciuta. L’ipotesi è che con la forma gelatinosa avvenga una parziale strutturazione dell’acqua non così regolare come nel caso del ghiaccio ma tale da dare al gel una certa solidità. In effetti, nel precedente articolo “Forma polimerica dell’acqua”, abbiamo visto che le simulazioni al computer portano a molecole d’acqua legate fra loro in forma di dimeri, trimeri, tetrameri, pentameri, ed esameri in varie percentuali(5); nel momento in cui il 100% sono esameri abbiamo il ghiaccio.

Se pensiamo agli organismi viventi, essi sono costituiti da oltre il 99% di molecole d’acqua e, in generale, hanno consistenza gelatinosa. Il comportamento dell’acqua semplice è assai diverso da quello dell’acqua strutturata (gelatinosa); ad esempio, per evitare che l’acqua congeli, la rendiamo gelatinosa miscelandola con glicole etilenico, sfruttando questa proprietà nel 1930 è stato fatto uno studio che ha consentito di misurare il rapporto acqua liquida / acqua strutturata in un organismo vivente portato a -22°C(6).  Si sa che al disotto di certe percentuali minime di acqua strutturata, la vita non può sussistere(7); la percentuale di acqua strutturata diminuisce man mano che si invecchia: l’uomo a livello embrionale ha la consistenza di una medusa, ma la percentuale di acqua strutturata si riduce quando diventa feto e continua progressivamente a scendere nel neonato fino a quando invecchia e muore. In certi casi la percentuale varia da stagione a stagione(8).

Con questo articolo si conclude l’approfondimento del comportamento dell’acqua mediante approccio lagrangiano. Abbiamo visto che dove c’è un atomo di ossigeno, è facile trovare due protoni che si legano con esso ed ecco perché l’acqua è così diffusa sulla terra.

Intanto occorre precisare che questo metodo non può soddisfare lo scienziato rigoroso che, se desidera può comunque attingere al metodo hamiltoniano ottenendo risultati ben più precisi. A noi qui interessava un metodo semplice che, evitando i complicati formalismi tipici della meccanica quantistica, ci consentisse di capire i meccanismi chimico-elettrici che regolano questi fenomeni a patto naturalmente di rinunciare ad un elevato grado di precisione nei risultati.

Facciamo un esempio. Se ci troviamo sulla superficie terrestre  riusciamo percepire e dunque a studiare con grande facilità e precisione tutti i fenomeni che avvengono attorno a noi ma ci risulta difficile percepire ad esempio che la terra sta ruotando su se stessa (e noi con essa) ad una velocità di quasi 2.000 km/h; se, al contrario, ci troviamo in una navicella spaziale, la rotazione della terra risulta evidente mentre perdiamo di vista i singoli fenomeni che avvengono sulla crosta terrestre. Rimanendo nell’esempio, l’approccio analitico hamiltoniano ci consente di studiare con grande precisione tutti i fenomeni che accadono sulla crosta terrestre ma ci fa perdere di vista la rotazione della terra attorno a se stessa e, quand’anche ci mettessimo a studiarla analiticamente, il complesso formalismo fisico-matematico ci farebbe perdere la percezione del fenomeno. Al contrario, l’approccio globale laglangiano ci consente di vedere la rotazione della terra attorno a se stessa ma ci impedisce di vedere, se non in modo sfuocato, tutti i fenomeni che avvengono nella crosta terrestre. Fuor di metafora abbiamo anche visto che conoscendo i componenti chimici di cui è costituita una qualunque sostanza possiamo determinarne il suo comportamento termodinamico facendo semplicemente uso dell’elettronegatività degli elementi coinvolti e, con questo sistema possiamo arrivare a comprendere la struttura della molecola d’acqua, quella di una sostanza più complessa, quella di un corpo celeste e dunque quella dell’intero universo. Lo scotto da pagare è che non riusciamo ad entrare nel merito della complessità molecolare se non in modo approssimato.

Abbiamo appreso anche alcuni concetti molto importanti che andiamo a riassumere brevemente.

Innanzitutto abbiamo ritrovato nella zona “B” l’acqua strutturata o polimerica che approfondiremo ulteriormente in prossimi articoli che descrivono gli studi di G. Pollack sulla quarta fase dell’acqua.

Inoltre abbiamo ritrovato i concetti sviluppati in precedenti articoli sui vortici centripeti anti-entropici aggreganti e condensanti rispetto a quelli centrifughi entropici, disaggreganti e disperdenti. Qui è l’elettrone, con la sua elettronegatività nulla a giocare il ruolo di elemento anti-entropico, aggregante, condensante che ha il ruolo di mantenere gli atomi saldamente legati alle molecole di appartenenza. All’opposto abbiamo che il protone, con la sua elettronegatività elevatissima(9) cerca di delocalizzarsi il più possibile all’interno dell’acqua che lo contiene facendo aumentare l’elettronegatività dell’intera soluzione; il protone gioca dunque il ruolo di elemento entropico, disaggregante e disperdente.

D’altro canto, dalla chimica sappiamo anche che tutto ciò che è ricco di elettroni è basico e riducente mentre, al contrario, ciò che è povero di elettroni è acido e ossidante e noi, non a caso, abbiamo ritrovato una relazione diretta tra elettronegatività e pH. Tutto torna !!!

Torino, 16 maggio 2020

Gianfranco Pellegrini

Note

(1) In chimica questa zona di influenza del soluto è chiamata “sfera di coordinamento” ed ha un raggio medio all’incirca costante e pari a circa 5 Å).

(2) Partendo dal numero di Avogadro N = 6,02×1023 e sapendo che in base alla massa molecolare N molecole d’acqua occupano 18 cc, ogni molecola d’acqua occupa mediamente 18/N = 3,1×10-23 cc. Il volume in questione è allora pari a 3,1nmax10-23 cc, ossia una sfera di raggio pari a circa    

(3) Se prendiamo una medusa appena pescata che pesa 100 grammi e la facciamo evaporare, dopo l’evaporazione il peso si riduce a meno di 0,1 grammi. Questo residuo fisso pari a meno dell’1 per mille è costituito da sale da cucina e da molecole organiche (grassi, carboidrati, proteine, ecc.). Quindi una soluzione (la medusa) costituita da più del 99,9% d’acqua riesce ad avere un certo grado di solidità.

(4) E’ bene sapere che esistono transizioni sol-gel reversibili ed irreversibili; sostanze come la gelatina o l’argilla, avendo una forte carica elettrica sono reversibili, mentre il bianco d’uovo o la rigidità cadaverica, dove le molecole d’acqua in zona “B” sono soggette a legame covalente, sono esempi di transizioni irreversibili.   

(5) Ad esempio a 4°C abbiamo un 40% di pentameri e un 25% di esameri che giustificherebbe il fatto che a quella temperatura la densità è massima.

(6) Praticamente si porta la sostanza organica a -20°C ; a questa temperatura si è certi che l’acqua non strutturata è tutta solidificata mentre si suppone che quella strutturata sia rimasta intatta. A questo punto la sostanza organica viene messa in un calorimetro e si determina quanto calore è necessario per il raggiungimento dell’equilibrio termico. In questo modo si può determinare la quantità di ghiaccio contenuta nel campione e, per differenza si determina la quantità di acqua strutturata. (Rif.  R.A. Gortner, Trans. Farad. Soc., 26, 678 – 1930).

(7) Ad esempio, disadratando un lombrico fino al 50%, una volta reidratato riesce a sopravvivere mentre, se si supera questa percentuale muore irreversibilmente.

(8) Ad esempio per certe farfalle che vivono in luoghi con inverni rigidi, in primavera la percentuale di acqua strutturata è pari al 10% e, per contrastare le rigide temperature, in inverno sale oltre il 50%.

(9) Come abbiamo visto negli articoli precedenti, la sua elettronegatività (approssimata) è pari a EN = 4,07. Pensando alla filosofia orientale diremmo che l’elettrone è 100% “Yin” e il protone è 100% “Yang”; questo modello oltre ad un approccio pratico, ci consente anche un approccio filosofico.

L’acqua e gli insolubili (parte 2)

Completiamo l’analisi cominciata nell’articolo precedente sugli elementi insolubili in acqua con carica elettrica +3, +4 e +5 analizzando il comportamento del carbonio C.

Come il fosforo, si tratta di un altro elemento molto utilizzato dalla natura per la costruzione della materia vivente.  Applichiamo la formula solita:

sempre in condizione di pH = 7 e considerando che:

– la carica elettrica è pari a z = +4

– il numero di molecole d’acqua solvatanti in zona A è pari a k = 3

– l’elettronegatività del carbonio è pari a EN(C) = 2,50

otteniamo un numero di protoni pari a n = 5, cioè ancora una volta una forma aggregata fortemente complessante del tipo (HCO3) che si lega facilmente col calcio per dare un prodotto molto stabile quale è il carbonato di calcio CaCO3. Il carbonio è un elemento indispensabile per la materia vivente e si trova in atmosfera sottoforma di anidride carbonica CO2 responsabile, come sappiamo dell’effetto serra. Per evitare concentrazioni troppo elevate di anidride carbonica in atmosfera che indurrebbe un riscaldamento globale insopportabile per gli esseri viventi, ecco che viene fissata dal calcio sottoforma di calcare solido(1).

Nei mammiferi d’allevamento (ma il discorso vale anche per l’uomo), lo ione (HCO3) viene utilizzato per liberare carbonio sottoforma di CO2(2).  

Ma in carbonio si lega all’idrogeno con un’elettronegatività differenziale minima. Applicando la formula soprariportata considerando lo ione CO3+ (z = +3) anziché lo ione CO4+  (z = +4)e 2 molecole d’acqua solvatanti (k=2) anziché 3 (k = 3) come fatto sopra, otteniamo n = 3,5(3); ciò consente la formazione dell’acido carbossilico responsabile del legame peptidico che a sua volta consente di costruire le proteine.

Applicando la formula soprariportata considerando lo ione CH22+ anziché lo ione CO4+  e 1 sola molecola d’acqua solvatante, otteniamo n = 2,2 che consente la formazione della formaldeide.

Infine applicando la formula soprariportata considerando lo ione CH3+ anziché lo ione CO4+  e 1 sola molecola d’acqua solvatante, otteniamo n = 0,5 che consente la formazione del metanolo(4).

Come vediamo il carbonio nelle sue forme idrocarbonate in soluzione acquosa, analizzato con questo modello mostra chiaramente che consente la formazione di composti importantissimi per la sussistenza della sostanza vivente (ioni carbonati, aldeidi, chetoni, acidi organici, alcoli, ecc.). Inoltre combinando più molecole di alcoli otteniamo gli zuccheri che, a loro volta, se policondensati formano i glucidi, mattoni essenziali per la materia vivente. Se poi combiniamo uno zucchero al fosforo otteniamo i nucleotidi dell’acido desossiribonucleico(5).

Il silicio (Si) appartiene anch’esso al gruppo del Carbonio, ma se proviamo a sostituirlo, facendo gli stessi calcoli, diversamente dal carbonio otteniamo dei policondensati. Ecco perchè la natura ha scelto il carbonio per costruire la materia vivente e il silicio per costruire le rocce(5).   

Per concludere l’analisi degli insoluti facciamo un esempio anche di un elemento del gruppo 3 (z = +3): l’alluminio Al3+ che può essere solvatato da 4 o anche 6 molecole d’acqua. Facendo gli stessi calcoli sempre con pH = 7 otteniamo n = 2,9 con differenziale di elettronegatività assai elevato(6); infatti, una volta policondensato in soluzione acquosa e trattato termicamente si ottengono materiali resistentissimi sia meccanicamente, sia alle alte temperature. Nella forma di allumina (Al2O3) mostra le stesse caratteristiche de Titanio (Ti) e dello Zirconio (Zr) entrambi elementi con differenziali di elettronegatività assai più bassi di quello dell’alluminio. Questi materiali sono particolarmente adatti anche a formare ceramiche o sostanze vetrificate. Il rubino altro non è che l’allumina, nella sua forma naturale monocristallina più nobile, con durezza pari a 9 nella scala di Mohs.

Alluminio e silicio nonostante abbiano polarità opposte (l’uno in forma di catione e l’altro di anione) manifestano entrambe la medesima affinità verso l’ossigeno(7).  

Con l’analisi degli elementi con valenza +3, +4  e + 5 abbiamo completato la disamina di ciò che accade in zona A e ciò ci ha dato la possibilità di capire molti meccanismi che stanno alla base della formazione di macromolecole e aggregati sia di natura organica che inorganica.

Nel prossimo articolo analizzeremo cosa invece accade in zona B dove il protagonista principale torna ad essere l’acqua con i suoi legami a idrogeno e, soprattutto nei suoi legami intermolecolari in forma polimerica.  

Torino 25 aprile 2020

Gianfranco Pellegrini

Note

(1) Il pianeta venere, pur essendo molto simile alla terra è reso inospitale proprio per la presenza di CO2 libera in atmosfera. Oggi, nonostante questi espedienti che la natura ha escogitato, l’effetto serra è fuori controllo per via delle emissioni nocive in atmosfera dovute alla esagerata combustione di combustibili fossili. Per ora la natura non si è ancora riorganizzata a contrastare questa insidia e dunque assistiamo ad un preoccupante incremento dell’effetto serra con conseguente riscaldamento globale ormai fuori controllo.

(2) Ciò aiuta la digestione quando si mangia o si beve troppo.

(3) Rispetto a prima dove lo ione interessato era C4+, ora si tratta di un equilibrio al 50% fra n = 3 (corrispondente alla forma HCOOH) e n = 4 (corrispondente alla forma ionica HCOO). In questi ragionamenti si fa uso di forme utilizzate solo ai fini del calcolo termodinamico e che potrebbero anche non essere riscontrabili sperimentalmente.   

(4) Questo ione consentirebbe anche la formazione della forma CH3OH2+ non riscontrabile in laboratorio. Ciò è dovuto al fatto che l’approccio lagrangiano porta ad un metodo semplificato che si comporta molto bene nei casi di differenziali di elettronegatività elevati mentre presta il fianco nei casi di differenziali deboli. In questo caso il fatto che il legame covalente con lo ione CH3+ non è tenuto in conto dal modello da ragione della discrepanza fra le previsioni del modello ed il riscontro sperimentale.

(5) Mentre il carbonio grazie alla valenza +4 ed al legame covalente con l’ossigeno da origine molto facilmente a polimeri molto plastici; il silicio, pur avendo anch’esso valenza 4 come il carbonio, legandosi all’idrogeno da un differenziale di elettronegatività molto forte, da origine a polimeri molto rigidi e amorfi (forme vetrose di vario genere). Comunque, indipendentemente dalla forma fisica dei polimeri anche il silicio, come il carbonio si presta a polimerizzazioni di vario genere e anche molto grandi in analogia a ciò che accade col carbonio. In ogni caso, anche nel caso del Carbonio, quando il differenziale di elettronegatività diventa molto elevato si ottengono forme polimeriche rigide come nel caso della cellulosa che da al legno una certa consistenza solida nonostante si tratti di materia organica.

(6) q(Al) è pari a 0,68 nel caso di 4 molecole d’acqua solvatante e 0,62 nel caso di 6 molecole d’acqua.

(7) La silice e l’allumina (assieme alla calce viva CaO) si combinano facilmente fra loro per costruire la maggior parte della materia costituente la crosta terrestre. Il cemento da costruzione è un esempio di combinazione di questi tre composti. Le argille silico-alluminose sono un esempio di combinazione fra silice ed allumina.

L’acqua e gli insolubili (parte 1)

Negli articoli precedenti abbiamo fatto un’analisi completa del comportamento di tutte le tipologie di sostanze solubili in acqua; sappiamo che l’acqua è un solvente quasi universale ma, nonostante ciò esistono numerose sostanze che risultano non solubili in acqua. In questo articolo approfondiamo proprio il comportamento dell’acqua nei confronti delle sostanze insolubili.

Nell’articolo precedente “La chimica con approccio Know why” abbiamo analizzato tutti gli elementi con carica elettrica +1, +2, +6 e +7. Tralasciamo i gas nobili conosciuti(1) perché sappiamo bene che essendo neutri e gassosi, se immessi in acqua ne fuoriescono rapidamente senza praticamente mescolarsi con l’acqua(2), e comunque senza modificare in alcun modo le proprietà intermolecolari dell’acqua. Rimangono da analizzare gli elementi con carica elettrica +3, +4 e +5 che, come noto non sono solubili in acqua. Gli atomi di ossigeno dovrebbero essere attratti da questi ioni metallici positivi, ma ciò è possibile solamente se il valore di “q” è maggiore di 0,30, altrimenti lo ione risulta troppo protetto per dar luogo all’accoppiamento con l’ossigeno. Ecco che gli ioni si trovano circondati da atomi di ossigeno e da gruppi OH. In ogni caso si assiste, come nel caso dell’acqua pura alla polimerizzazione con la differenza che in questo caso le forze di legame sono venti volte più forti. Mentre dunque nel caso dell’acqua pura la polimerizzazione è molto instabile e costituita da poche molecole d’acqua aggregate fra loro, in questa situazione, al contrario è molto stabile e costituita da numerose molecole aggregate fra loro attorno allo ione della sostanza che fa da aggregante(3) tanto da poter considerare questo stato polimerizzato una vera e propria fase diversa da quella liquida. A volte, a seconda degli ioni presenti in acqua, i polimeri arrivano ad essere costituiti da miliardi di molecole: è il caso delle particelle colloidali(4). Nel momento in cui questo stato di aggregazione diventa troppo grande si assiste ad una precipitazione della sostanza allo stato solido. Questo tipo di aggregazione è non solo tipico della chimica della natura ma è abbondantemente utilizzato anche dalla tecnologia per realizzare molte sostanze sintetiche polimerizzate.

Ma per non restare teorici cominciamo a fare alcuni esempi pratici utilizzando il metodo lagrangiano che ormai abbiamo ben imparato ad utilizzare. Utilizziamo la formula (2) ricavata nell’articolo precedente “La chimica con approccio Know why” che consente di calcolare il numero di protoni liberati in funzione del pH.

Applicando questa formula al fosforo P in condizione di pH = 7 e considerando che la carica elettrica è pari a z = +5 (siamo a cavallo tra solubile e insolubile), il numero di molecole d’acqua solvatanti in zona A è pari a k = 4, l’elettronegatività del fosforo è pari a EN(P) = 2,49, otteniamo un numero di protoni pari a n = 6, cioè una forma aggregata fortemente complessante del tipo (H2PO4)che si lega facilmente al calcio Ca++ e forma un materiale con ottime caratteristiche meccaniche. Ecco perché chimicamente il fosforo si presta ad essere utilizzato per la realizzazione di detersivi, oppure per rendere la carne ed il pesce più fragranti. Ed ecco perché costituisce l’unità energetica della cellula: proprio perché non condensa facilmente. Tutto ciò è facilmente deducibile anche applicando la formula (1) soprariportata; considerando che EN(Sl) = EN(P) = 2,11, otteniamo EN = 2,49 e q(P) = +0,19. Si tratta di un valore troppo piccolo affinchè possa avvenire la reazione 2H2PO4  — > HO3P-O-PO3H + H2O. Invece la reazione inversa risulta esotermica e si produce spontaneamente. I polifosfati quali l’ATP o l’ADP sono esempi che ritroviamo nella cellula e che sono possibili per via della differenza protonica esistente tra i due lati della membrana interna dei mitocondri. Se facessimo gli stessi calcoli col vanadio, che chimicamente si comporta come il fosforo, otterremmo q(V) = +0,48, valore che faciliterebbe la reazione spontanea 2H2VO4  — > HO3V-O-VO3H + H2O con formazione di un decondensato [V10O28] di cui la cellula non saprebbe che farsene.

Torino 13 aprile 2020

Gianfranco Pellegrini

Note

(1) A parte i gas nobili noti (Elio, Neon, Argon, Kripton, Xeno e Radon), nell’ultima colonna della tavola periodica esiste anche un elemento che si chiama Oganesson, e prende il nome definitivo dal chimico russo Jurij Colakovic Oganesian  (prima del 2016 era temporaneamente stato chiamato “ununoctio” e poi eka-radon). Pur essendone stata ipotizzata l’esistenza già da Bohr la sua effettiva esistenza è stata confermata dalla IUPAC e dalla IUPAP solo nel dicembre 2015. Si tratta di un elemento sintetico radiattivo (come il Radon) forse gassoso a 25°C. Alcuni scienziati pensano che possa avere le stesse caratteristiche degli altri gas nobili noti oltre ad essere un semiconduttore. Altri invece, piuttosto che un gas nobile, ritengono che sia in grado di formare ossidi, cloruri e fluoruri. Altri scienziati ancora ritengono che le sue proprietà si scambino con quelle del suo vicino di sinistra – il “flerovio – e che dunque l’Oganesson sia solido e non presenti le caratteristiche di un gas nobile, mentre il Fleronio, sarebbe gassoso e si comporterebbe come un gas nobile.  

(2) Grazie ad una struttura elettronica il cui orbitale più esterno è completo, i gas nobili presentano una grande inerzia chimica, ecco perché fino a pochi anni fa sembrava che questi elementi non reagissero chimicamente con altri elementi. Poi si è scoperto che almeno alcuni di essi possono reagire dando origine a fluoruri come ad esempio fluoruri di Xeno. Probabilmente quella blanda solubilità che si riscontra da parte dei gas nobili può essere dovuta alla loro reazione col fluoro. Ad esempio l’elio è assorbito molto facilmente da platino sugnoso, il neon è solubile in ossigeno liquido, in alcool etilico, acetone e benzene, l’argon è solubile in alcool etilico, il cripton è leggermente solubile in alcool etilico ed in benzene.

(3) In base alla misura del pH si evince che si tratta di polimeri costituiti da più di dodici molecole e che arrivano anche ad aggregati di milioni di molecole.

(4) Esempi di polimeri sono il policatione [Al13O4(OH2)12]7+, oppure il polianione [V10O28]6-. Esempi invece di colloidi sono: αFe2O3, oppure Al(OH)3 o ancora γAlOOH.

Trasmissione del coronavirus per teletrasporto

Circa dieci anni fa il grande virologo francese Luc Montagnier(1), scopritore nel 1983 dell’HIV e premio nobel per la medicina nel 2008, ha scoperto che il DNA disciolto in acqua fortemente diluita e microfiltrata emette segnali elettromagnetici a bassa e bassissima frequenza.

L’esperimento che mi accingo a citare dimostra che il DNA può essere trasferito via “etere” tramite segnali elettromagnetici. Esempi quotidiani di trasferimento di informazione sono le immagini e i suoni trasmessi da emittenti radiotelevisive e ascoltate e viste dai nostri ricevitori (radio e televisori), oppure i dati trasmessi un computer via internet e ricevuti da un altro computer distante migliaia di km, o ancora i segnali emessi da una stella distante anni luce e ricevuti dai nostri radiotelescopi sulla terra. La differenza fra questi vari tipi di onde elettromagnetiche è tutta e solo sulla frequenza o, se preferiamo, sulla lunghezza d’onda(2). Esiste un ampio “range” di frequenze suddiviso in “bande” che individua le varie tipologie di onda elettromagnetica; si parte dai cosiddetti “raggi gamma” a frequenze elevatissime fino alle basse frequenze delle onde radio(3).

Ebbene, Montagnier ha scoperto che il DNA emette onde radio a frequenza ultra-bassa compresa fra (500 Hz – 3000 Hz) chiamate ULF (Ultra Low Frequency) e tipicamente utilizzate per le comunicazioni all’interno delle miniere. Affinchè diventi emissivo il DNA ha bisogno di non essere disturbato da onde elettromagnetiche perturbanti e di essere eccitato con un campo elettromagnetico di frequenza estremamente bassa pari a 7,83 Hz(4), in grado di metterlo in risonanza (Risonanza di Schumann).  

Per il suo esperimento Montagnier ha utilizzato due diverse provette:

  1. la prima contenente un frammento di DNA in acqua sottoposta a numerosi cicli di diluizione-succussione nonché a microfiltrazione
  2. la seconda contenente acqua distillata

Dopo 18 ore entrambe le provette emettevano onde elettromagnetiche e dopo 20 ore, anche l’acqua distillata conteneva il frammento di DNA identico a quello della prima provetta.

La conclusione tratta da Montagnier è stata che il frammento di DNA è stato trasferito da una provetta all’altra tramite le onde elettromagnetiche ULF. Per verificare se questa ipotesi era vera, ha registrato nel suo laboratorio in Francia il segnale elettromagnetico prodotto da una provetta contenente il frammento di DNA e la ha trasmessa al prof. Vitiello(5) in un laboratorio di Benevento. Il prof. Vitiello ha indirizzato questo segnale su una provetta piena d’acqua distillata e dopo aver atteso alcune ore, nell’acqua distillata si è ricostruito esattamente lo stesso frammento di DNA presente nella provetta francese di Montagnier(6).     

Al fine di garantire il sacrosanto principio galileiano della replicabilità l’esperimento è stato ripetuto per ben 12 volte ottenendo sempre gli stessi risultati.

Questo esperimento, pur essendo così eclatante, e nonostante sia garantito da un premio nobel del calibro di Montagnier, purtroppo non è conosciuto dal grande pubblico. A mio avviso il motivi sono molteplici. Innazitutto il fatto che l’esperimento richieda acqua ultra diluita e assoggettata a ripetuta succussione, ossia la stessa acqua necessaria all’ottenimento dei prodotti omeopatici;  ciò non aiuta di certo in quanto i prodotti omeopatici, come noto, non sono approvati dalla comunità scientifica internazionale. Personalmente anch’io sono scettico sull’efficacia dei prodotti omeopatici, ma fatico a capire la connessione fra l’esperimento di Montagnier ed i prodotti omeopatici.

Un secondo motivo che ha contribuito a non dare troppa enfasi a questo esperimento è che Montagnier è stato artatamente preso ad esempio da tutti i pseudo-scienziati che si rifiutano di accettare i severi controlli di veridicità da parte della comunità scientifica e pretendono di accreditare i loro risultati senza sottoporli prima alla verifica da parte della comunità scientifica o, ancor peggio pretendono l’accettazione di esperimenti non ripetibili. Tali sedicenti scienziati, per  giustificare la non ripetibilità adducono varie giustificazioni come ad esempio gli studi svolti nel secolo scorso dal grande chimico fiorentino Giorgio Piccardi(7) che, dopo più di venti anni di sperimentazione ha dimostrato che la precipitazione dell’ossicloruro di bismuto è apparentemente non ripetibile perché risente di fenomeni cosmici come le macchie solari, le eclissi, l’attività magnetica del sole, la diversa velocità della terra attorno al sole, ecc. Ma anche in questo caso mi permetto di osservare: cosa c’entra Montagnier con tali sedicenti scienziati ?  

Un altro motivo per cui questo esperimento non ha avuto la fama che meriterebbe è, anche a mio avviso dovuto al fatto che si tratta di un esperimento che riguarda l’acqua e, come sostiene il Prof. G. H. Pollack(8): “Gli scienziati stanno lontani dall’acqua ….. Questa sostanza sembra avere acquisito un carattere quasi mistico ….. Questo alone mistico rende la ricerca sull’acqua una faccenda potenzialmente rischiosa; …. La seconda cosa che ha indotto gli scienziati a rifuggire dall’acqua è legata a due incidenti sociopolitici ….. il cosiddetto disastro della poliwater(9) ……  e il cosiddetto incidente della memoria dell’acqua(10)”.

In ogni caso, a me questo esperimento sembra stupefacente e dimostra che fra non tanto la tecnologia ci consentirà teletrasportare la sostanza vivente, cioè di trasferirla esattamente come ora facciamo con le immagini e i suoni dei nostri televisori. Presto potrebbe accadere che il Coronavirus non si trasferisca solo per contagio ma anche per teletrasporto!!

Torino   5 Aprile 2020

Gianfranco Pellegrini

NOTE

  1. Luc Montagner è un famosissimo virologo francese professore all’Istituto Pasteur di Parigi, e attualmente presidente della fondazione mondiale per la ricerca e prevenzione dell’AIDS. E’ stato fortemente criticato dalla comunità scientifica internazionale per il suo impegno negli studi sulla omeopatia. Ecco forse il motivo per il quale è passata quasi inosservata la pubblicazione nel 2011 nel “Journal of Physics” dell’articolo intitolato: “DNA waves and water” oggetto di questo articolo.
  2. Per le onde elettromagnetiche vale la seguente relazione fra frequenza “f” e lunghezza d’onda λ: f=c/ λ dove c è la velocità della luce ed è costante quindi, ad una determinata frequenza corrisponde una ben precisa lunghezza d’onda e viceversa; ecco perché parlando di onde elettromagnetiche è indifferente caratterizzarle mediante la lunghezza d’onda o tramite la frequenza.
  3. Lo spettro elettromagnetico è suddiviso nelle seguenti bande: raggi gamma (≥ 3·1018 Hz), raggi X (3·1016 – 3·1018), raggi ultravioletti (7,49·1012 – 3·1016), banda del visibile (4,28·1012 – 7,49·1012), raggi infrarossi (3·1011 – 4,28·1012), microonde (2,5·108 – 3·1011), alle onde radio (≤ 2,5·108).
  4. Questa frequenza fa parte delle onde radio di tipo ELF (Extremely Low Frequency) tipicamente utilizzate nella comunicazione radio con i sottomarini, per la ispezione delle tubazioni e per lo studio del campo magnetico terrestre.
  5. Giuseppe Vitiello è ordinario di Fisica Teorica all’Università di Salerno, si occupa di fisica delle particelle elementari applicate ai sistemi biologici, alle neuroscienze e al cervello. Collabora col Prof. Montagnier nella ricerca sul DNA di virus e batteri e con Walter J. Freemann, professore all’Università di Berkley (CA) nella ricerca sulle neuroscienze. Ha al suo attivo numerose pubblicazioni fra cui, assieme a M. Blasone e P. Jizba il libro “Quantum Field Theory and its macroscopics manifestations”.  
  6. Per individuare i frammenti di DNA entrambe le provette – quella a Parigi e quella a Benevento, sono state entrambe sottoposte al medesimo trattamento di routine tipico per ricostruire tracce di DNA, ossia l’utilizzo di enzimi e basi azotate e innescando una reazione a catena cosiddetta PCR (polimerasi).
  7. Giorgio Piccardi (1895 – 1972) è stato un grande chimico, è stato direttore dell’Istituto di Chimica Fisica di Firenze dal 1947 al 1965. E’ diventato famoso per l’influenza dei fenomeni cosmici sui risultati sperimentali; famosi anche i suoi studi sull’attivazione dell’acqua poi ripresi da Capel-Boute e quelli sulla viscosità e sulla tensione superficiale dell’acqua attivata.
  8. Gerard H. Pollack è il fondatore della rivista “Water”. Ha ottenuto numerosi riconoscimenti internazionali fra i quali,  vincitore del “Prigogine Medal” per i suoi studi sulla termodinamica dei sistemi dissipativi, Laurea Honoris Causa all’università russa di Ekaterinburg, Professore onorario dell’Accademia delle Scienze russa, ecc. Dirige il Pollack laboratory all’Università di Washington. Il riferimento soprariportato è tratto dal suo libro più famoso: Gerald H. Pollack – La quarta fase dell’acqua – 1a ed. italiana – Sapio – luglio 2018”.
  9. L’affaire “Poliwater” risale al 1957 quando il chimico russo Nikolay Fedyakin riuscì ad incuriosire Boris Derjaguin, il più grande chimico fisico all’epoca in Unione sovietica che mise in piedi un gruppo di ricerca che scoprì l’esistenza di una quarta fase dell’acqua. Complice anche la guerra fredda molto intensa in quegli anni, Derjaguin fu demolito dalla stampa internazionale tanto da costringerlo ad ammettere che gli esperimenti da lui fatti risentivano del fatto che l’acqua utilizzata era impura e dunque i risultati non erano da considerarsi attendibili. Gli studi sulla quarta fase dell’acqua sono poi stati ripresi da Gerald H. Pollack con sviluppi interessantissimi di cui parlerò diffusamente in articoli successivi.
  10. Il termine “memoria dell’acqua” è stato coniato dall’immunologo francese Jacques Benveniste (1935 – 2004) direttore di ricerca dell’INSERM (Institut National de la Santè et de la Recherche Médicale) di Parigi e capo dell’unità di immunologia. E’ diventato tristemente famoso per una ricerca sulla “memoria dell’acqua”. Il direttore della rivista “Nature” mise in piedi una commissione scientifica che riscontrò una manipolazione dei risultati da parte di Benveniste. Si scoprì successivamente un conflitto di interessi fra Benveniste e l’industria francese di prodotti omeopatici. Questo scandalo contribuì non poco ad affossare la ricerca sull’acqua.   

La chimica con approccio “Know why”

In controtendenza con l’approccio “Know how” imperante, continuo imperterrito a virare verso un approccio “Know why”. Tutti i libri di chimica spiegano quali reazioni avvengono e quali no e come esse avvengono, ma raramente viene spiegato il perché esse avvengano.

Questo articolo dedicato alle sostanze solubili in acqua, nel generalizzare l’esempio sullo ione Cl7+ a tutti gli elementi della tavola periodica ci mostrerà perché certe reazioni chimiche avvengono naturalmente ed altre no. Seguirà un capitolo che, analizzando l’insieme delle sostanze non solubili completerà la generalizzazione che ci accingiamo a fare. La suddivisione fra “chimica elettronica” e “chimica protonica” ci mostrerà quanto è intimo il rapporto fra gli elementi chimici presenti in natura.

Alla fine di questo e del prossimo capitolo squarceremo un velo sulla realtà che ci circonda e capiremo qualcosina in più sui meccanismi di interazione tipici della realtà animata e anche di quella inanimata.

Riprendiamo la formula [Cl(H2O)4](7-n)+ utilizzata nell’articolo precedente per lo ione Cl(7-n)+ che si trova nella zona di solvatazione A):

Generalizziamo la (1) sostituendo i seguenti simboli:

  • Sl            un soluto qualunque
  • k             il numero di molecole d’acqua solvatante in zona A
  • z             la carica elettronica
  • n            il numero di protoni determinati in base al pH della soluzione
  • EN(Sl)    l’elettronegatività del soluto Sl

Si tratta di trovare l’EN relativo alla seguente formula generale:  [SlOkH2k-n](z-n)+. Sostituendo nella (1) i simboli sopra elencati otteniamo:

Questa formula ci consente di calcolare il numero di protoni “n” per qualunque tipo di sostanza solubile in acqua(1):

Facendo la discussione in funzione di “k”(2) si ottiene:

  • per n < 0                            il soluto non avrà alcuna proprietà acida             
  • per n >2k                           il soluto non avrà alcuna proprietà basica
  • per 0 < n < 2k                   in zona A, assieme al soluto coesisteranno anche gruppi OH.

Ad esempio in caso di pH neutro (pH = 7) la (2) diventa:

Prendendo ad esempio in esame gli alogeni (z = -1) otteniamo la seguente tabella:

Tabella 1

Come si vede il numero “n” di protoni determinati in base al pH della soluzione è sempre negativo e dunque, nel caso di questi ioni, il soluto non possiede in nessun caso proprietà acide.

Nel caso degli elementi con z = – 2 otteniamo:

Tabella 2

Anche in questo caso il numero “n” di protoni determinati in base al pH della soluzione è sempre negativo e dunque il soluto non possiede alcuna proprietà acida. Se ora analizziamo gli elementi alcalini (z=+1) abbiamo:

Tabella 3

Come si vede il numero “n” di protoni determinati in base al pH della soluzione è anche in questo caso sempre negativo e dunque, anche in questo caso, il soluto non possiede alcuna proprietà acida per nessuno degli ioni elencati.

Ma ci basta aumentare la carica elettronica (z=+2) e le cose cambiano:

Tabella 4

Come si vede il numero “n” di protoni determinati in base al pH della soluzione diventa positivo ed in particolare, nel caso del calcio il valore di “n” è prossimo all’unità e corrisponde alla formula [CaOH(OH2)7]+.

Facendo il calcolo per tutti gli elementi presenti in natura, come ci si può aspettare ritroviamo i principali ioni presenti nel citoplasma delle cellule ognuno adatto a svolgere un ruolo ben preciso.

In particolare, come noto, gli ioni Cl assicurano la neutralità elettrica della cellula; gli ioni calcio Ca++ sono i responsabili della contrazione muscolare, gli ioni potassio K+ assieme agli ioni sodio Na+ regolano la concentrazione del soluto all’interno della cellula garantendo un potenziale negativo nella membrana grazie all’attivazione dell’ATP, gli ioni Sodio Na+ sono invece responsabili di molti meccanismi inerenti il sistema nervoso.

Per capire che la natura non sceglie gli elementi a caso vediamo qualche esempio pratico.

Immaginiamo di sostituire lo ione calcio Ca++ con lo ione magnesio Mg++; in condizioni di pH neutro, dalla tabella 4 sopra riportata otteniamo n = +1,42 corrispondente ad una via intermedia fra n = 1 –> Mg(OH)+ ed n = 2 –> Mg(OH)20. Sostituendo il cadmio Cd++, sempre dalla tabella 3 otteniamo n = +1,80 e la situazione è simile alla precedente ma, con una prevalenza in questo caso di complessi Cd(OH)20 rispetto a quelli Cd(OH)+.

Se proviamo a sostituire allo ione Na+ lo ione argento Ag+  (En=1,68), sempre in condizioni di pH neutro, applicando la formula (3) otteniamo n = +0,6 e dunque nella zona A) gran parte del soluto si trova in forma neutra AgOH0 impedendo di fatto la generazione di un potenziale nella membrana cellulare.

Facendo i calcoli per tutti gli elementi, si può constatare che una buona parte di ioni si trova in forma neutra, assai meno solubile della forma dotata di carica e dunque non adatti ai meccanismi cellulari.

Il fluoro F assomiglia molto al cloro Cl ma è troppo simile allo ione OH e, sostituendosi a questi ultimi, condizionerebbe troppo i cationi delle cellule neutralizzandoli(3).  

Al contrario, come si vede nella tabella 3 sopra riportata, possiamo constatare che, ad esempio ioni come lo ione stronzio Sr++ o bario Ba++ potrebbero tranquillamente sostituire il calcio Ca++ ma, se andiamo a vedere l’abbondanza naturale nella crosta terrestre di questi elementi, scopriamo che è in entrambi i casi nettamente inferiore rispetto a quella del calcio(4) e dunque ecco perché la natura ha scelto il calcio: semplicemente perché è più facile da reperire. Allo stesso modo come si vede nella tabella 1 sopra riportata, possiamo constatare che lo ione bromo Br e lo ione iodio I hanno valori di “n” prossimi a quelli del cloro Cl ma, anche in questo caso, l’abbondanza naturale nella crosta terrestre di questi elementi, è nettamente inferiore rispetto a quella del cloro(5) e dunque ecco perché anche in questo caso la natura ha scelto il cloro come ione per contrastare i cationi cellulari Na+ e K+, entrambi abbondanti in natura(6).

Se analizziamo gli ioni con z > 6, essi si trovano tutti sottoforma di ioni ossigenati (es. ClO4, MnO4, TcO4).

Per lo ione zolfo N5+ (k=3) otteniamo n = 6,5 > 2k = 6 e dunque in questo caso il soluto non avrà alcuna proprietà basica ed avrà una forma NO3 totalmente priva di protoni liberi. In questo caso il soluto non avrà alcuna proprietà basica e scopriamo che il potere condizionante dello ione nitrato NO3 è talmente basso da consentire la libera circolazione dell’azoto gassoso nell’atmosfera terrestre. Tale libera circolazione dell’azoto in forma gassosa giova tantissimo ai vegetali che fanno largo uso dello ione nitrato NO3 quindi, in definitiva, questa proprietà  è assai utile per l’intera catena alimentare.

Per lo ione zolfo S6+ (k=4) otteniamo n = 7,4 < 2k = 8 e dunque in questo caso in zona A) coesistono ioni OH e le due forme HSO4 e SO42- stanno in equilibrio fra loro. Dato che n = 7,4 è molto vicina a 2k = 8 vi è una prevalenza di ioni SO42- e dunque questi anioni risulterebbero comunque troppo ossidanti per essere utilizzati in modo diretto dalle cellule; ecco perché è necessario l’intervento di anioni minerali solubili in grado di contrastare i cationi solubili cellulari. Come si vede, lo ione zolfo S6+, al contrario dello ione N5+ ha un potere condizionante molto elevato e lo ione solfato SO4-2 si fissa allo stato solido molto fortemente al calcio per formare il gesso [CaSO4,(H2O)n] evitando che circoli liberamente in atmosfera; ciò è assai importante per la sopravvivenza in quanto è velenoso per le specie viventi.

Torino 28 marzo 2020

Gianfranco Pellegrini

Note

  1. Per arrivare alla formula finale abbiamo fatto uso della formula ricavata nell’articolo precedente “Potere mimetico dell’acqua” che mette in relazione il pH con l’elettronegatività dell’acqua pura: EN(H2O) = 2,732 – 0,035pH.
  2. Si tenga conto che MAX[EN(Sl)] = 5,10, MAX(z) =8,  MAX(pH) = 14, MAX(k) = 8.
  3. In chimica la sostituzione di un anione con un catione è anch’esso un fenomeno modellizzabile con l’approccio lagrangiano che stiamo utilizzando. Senza entrare troppo in dettaglio possiamo dire che il potere sostitutivo dei seguenti anioni aumenta secondo l’ordine seguente: [ClO4] <  [No3] < Cl ≈ Br ≈ I << [CH3COO] < [SO4]2- ≈ [C2O4]2- < F- ≈ OH << [PO4]3- << [SiO4]4-.  Un approfondimento di questo argomento ci porterebbe fuori tema per cui si rimanda a lavori specifici come ad es. (M. Henry, J. P. Jolivet, J. Livage – Structure and Bonding – 1991, o anche J. Livage, M. Henry, J. P. Jolivet, C. Sanchez – Mat. Res. Soc. Bull., 15, 18 – 1990).
  4. L’abbondanza naturale dello stronzio è pari a 375 PPM , quella del bario è pari a 425 PPM e quella del calcio è pari al 41.000 PPM (Fonte Taylor 1964). Questa fonte è datata; è assai probabile che in 56 anni l’abbondanza di stronzio e bario sia scesa.
  5. L’abbondanza naturale del bromo è pari a 2,5 PPM , quella dello iodio è pari a 0,5 PPM e quella del cloro è pari al 130 PPM (Fonte Taylor 1964). Questa fonte è datata.
  6. L’abbondanza naturale del sodio è pari a 24.000 PPM , quella dello potassio è pari a 21.000 PPM (Fonte Taylor 1964). Questa fonte è datata.