Mona Lisa on the Moon: come inviare la Gioconda sulla Luna con il laser

La chiamano una prova della comunicazione laser a grandi distanze quella che ha permesso di inviare l'immagine della Gioconda, il celebre dipinto di Leonardo, dal Goddard Space Flight Center della Nasa di Greenbelt nel Maryland, fino alla sonda spaziale orbitante intorno alla Luna. 240 mila miglia, questa la distanza percorsa dal segnale laser prima di essere decodificato dal Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA), all'interno della navicella spaziale in orbita lunare.

Micro-robots realizzati con bolle d'aria guidati da un laser

Forse chiamarli micro-robots è, per ora, eccessivo ma quello che ha ottenuto Aaron Ohta alla University of Hawaii a Manoa è di muovere bolle d'aria in soluzione salina guidandole con  un laser all'infrarosso da 400 mW. E' possibile muoverle intorno a un bersaglio, variando la velocità con l'intensità del fascio laser. Un filmato da Popular  science. Anche le bolle d'aria, chiaramente, sono micro.

Usare il laser per creare nuvole

photo gap.unige.ch

L'occasione di dover scrivere un pezzo sul tema laser per il Carnevale della Fisica su Dropsea del buon Gianluigi Filippelli mi spinge a fare una sommaria ricerca su tutti i filoni di ricerca che includano la parola  laser. Ce ne sono veramente parecchi. Sembra quasi che questa ormai antica tecnica di collimazione della luce renda possibili interventi sui fenomeni naturali attuabili solo in condizioni di elevata coerenza. Quando si riesce a ordinare o sincronizzare qualcosa, vuoi un fascio di luce (laser) o un getto d'acqua (fresa a getto d'acqua) oppure un getto d'aria (motori a reazione) noi otteniamo qualcosa in più che non se utilizzassimo le stesse risorse però con un maggiore grado di disordine.

Questo aumento di efficacia ed efficienza dei fenomeni ordinati e sincronizzati potrebbe estendersi anche ad altri sistemi oltre quelli in già uso, con lo scopo di verificare se l'estensione di queste caratteristiche è in grado di apportare dei generici miglioramenti nei risultati che vogliamo ottenere.

Penso, per esempio, alle società umane. E' noto  che un gruppo addestrato è in grado di eseguire un compito meglio di un gruppo non addestrato. Ma non solo: anche un individuo è in grado di eseguire meglio un compito  dopo aver sincronizzato i suoi movimenti, eliminando quelli inutili.

Dunque non solo nello studio dei fenomeni fisico-chimici è valido l'utilizzo di tecniche di collimazione e sincronizzazione e probabilmente non solo in quei settori si ottengono miglioramenti. Fatta questa premessa veniamo all'argomento.

E' possibile creare nuvole con il laser e, conseguentemente, far piovere. E' quello che affermano un gruppo di ricercatori su Nature Photonics (Rohwetter et al. 2010) in un lavoro intitolato Laser-induced water condensation in air. Si parte dalla considerazione che la ricerca della pioggia a comando ovvero della possibilità di far piovere quando e dove si desidera è uno degli antichi sogni dell'uomo, soprattutto in riferimento alle necessità dell'agricoltura. Posta la controversia dell'efficacia del cloud seeding (si veda E' possibile manipolare il tempo?) i ricercatori affermano di aver trovato un sistema per formare nuvole, sia in laboratorio che in campo aperto.

Il sistema prevede l'uso di una camera contenente aria satura d'acqua, alla temperatura di -24°C. In questa camera vengono inviati brevi impulsi di luce laser nel campo dell'infrarosso. Gli impulsi laser inviano dei pacchetti della potenza di 220 mJ (millijoule) in 60 femtosecondi (60 x 10-15 s). L'intensità così ottenuta, a dire dei ricercatori, è pari a quella sviluppata da 1000 centrali elettriche. L'effetto è la creazione di quelle che al New Scientist chiamano

miniature airplane contrail [1]

cioè piccole scie di condensazione, di quelle che lasciano gli aerei, per intenderci.

Uno degli autori dell'articolo afferma che 

the laser pulses generate clouds by stripping electrons from atoms in air, which encourage the formation of hydroxyl radicals. Those convert sulphur and nitrogen dioxides in air into particles that act as seeds to grow water droplets.[1]

In pratica, la luce laser strappa letteralmente gli elettroni agli atomi presenti nell'aria contribuendo alla formazione di radicali idrossilici (OH). Siccome questi radicali idrossilici sono altamente reattivi reagiscono con i diossidi di azoto e zolfo presenti convertendoli in una sorta di semi di accrescimento per minuscole goccioline d'acqua. 

Dall'analisi effettuata dopo l'invio degli impulsi laser è risultato un aumento del volume totale di goccioline d'acqua condensata e nelle nuvole formate il volume di acqua condensata era salito di 100 volte.

Bene. Questo è ciò che succedeva in un'atmosfera controllata e satura d'acqua quale quella creata in laboratorio. Ma che sarebbe successo all'aperto? Per scoprire l'effetto i ricercatori hanno inviato gli stessi impulsi nei cieli sopra Berlino (sic) ad un'altezza di 60 metri dal suolo. Utilizzando la tecnica LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging) hanno potuto verificare che anche all'aperto si erano ottenute nuvole di condensazione di goccioline d'acqua, anche in assenza di una saturazione d'acqua spinta come quella del laboratorio.Non sembra che sia piovuto, ma è solo questione di aumentare la dimensione delle goccioline e di ottimizzare lunghezza d'onda della radiazione e durata degli impulsi, conclude uno dei ricercatori.

[1]Laser creates clouds over Germany

Un polimero intelligente che si autoripara con il laser

Contrariamente a quello che accade con altri polimeri, tipo il polistirolo o il policarbonato, questo nuovo polimero metallico supramolecolare (riprendo la definizione che usa Wikipedia di chimica supramolecolare, a cui rinvio per un approfondimento del concetto: chimica degli aggregati molecolari di più alta complessità risultanti dall'associazione di due o più specie chimiche legate assieme da forze intermolecolari ) non basa i legami molecolari sul legame covalente, bensì, utilizzando lo zinco, sul legame ionico. Quando l'energia proveniente da radiazione ultravioletta colpisce questi gruppi ligando-recettore, questi assorbono energia convertendola in calore, ed è appunto a questo calore che si deve l'effetto autoriparazione.

In un lavoro uscito recentemente su Nature (Burnworth et al. 2011), un gruppo di ricercatori ha utilizzato un polimero telechelico (cioè un pre-polimero che può assumere altre configurazioni strutturali grazie ai suoi gruppi terminali) gommoso, con i legami dei gruppi terminali non covalenti ma metallo-ionici. In un film di 0,4 mm di questo materiale sono stati praticati dei tagli di 0,2 0 o,3 mm di profondità e poi sono stati colpiti da una luce UV laser da 1 watt di potenza per 30 secondi. I ligandi metallici, grazie all'azione della luce laser che aumenta la loro temperatura, si distaccano  perdendo viscosità e consentendo al film di riarrangiarsi nella configurazione finale autoriparata. Affermano gli autori che la luce laser può essere applicata anche solo localmente dove si è verificato il danno, consentendo di intervenire anche sotto carico.
L'utilizzo di questi materiali che si riparano da soli riguarda tutto il settore industriale, con particolare riferimento all'industria degli imballaggi o a quello dell'automobile. A questo pensava infatti la Nissan, con i suoi studi su una vernice che si potesse autoriparare dai graffi.

Fonti
Nature
Supplementary Nature
New Scientist
Wikipedia