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livello elementare
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ARGOMENTO: SUBACQUEA
PERIODO: ODIERNO
AREA: RICERCA
parole chiave: branchie artificiali
La respirazione è alla base della nostra vita e nel prossimo futuro potremo essere in grado di respirare anche sotto l’acqua grazie ad un nuovo materiale recentemente sintetizzato da alcuni ricercatori danesi in laboratorio. Utilizzando dei materiali speciali cristallini, gli scienziati della University of Southern Denmark hanno creato una sostanza che è in grado di assorbire l’ossigeno e conservarlo in concentrazioni elevate.
Potremo munirci di branchie artificiali?
Forse in un futuro non troppo lontano sarà possibile. Il funzionamento può essere spiegato come quello di una spugna che raccoglie l’acqua per poi spremerla fuori ripetendo il processo più volte. Circa dieci litri di questo materiale di basso costo (del valore commerciale di 25 dollari) sono sufficienti per aspirare l’ossigeno in una stanza di medie dimensioni per poi rilasciarlo quando è necessario. Se funzionasse sarebbe ideale per poterci liberare finalmente delle pesanti bombole che ci carichiamo sulla schiena prima di ogni immersione. Sembrerebbe che il nuovo materiale utilizzi un metallo, il cobalto, che consente di assorbire l’ossigeno dall’ambiente circostante.
Questo meccanismo è ben noto da tutte le creature che respirano sulla Terra: gli esseri umani e molte altre specie usano il ferro, mentre altri animali, come i granchi e ragni, utilizzano il rame. Piccole quantità di metalli sono essenziali per l’assorbimento di ossigeno, quindi in realtà non è del tutto sorprendente vedere questo effetto in un nuovo materiale, ha spiegato Christine McKenzie. Le ricerche del suo team, che opera presso l’University della Southern Denmark, si ispirano al modo in cui gli organismi viventi utilizzano la chimica e le proprietà strutturali e fisiche degli ioni di metalli. Vengono studiati nuovi materiali di transizione a livello molecolare e sopra molecolare. I leganti organici, che sostengono gli ioni metallici, sono progettati per creare dei supporti metallici di legame. Questa ricerca ha implicazioni di vasta portata per la progettazione di nuovi materiali con particolari proprietà catalitiche, ottiche e magnetiche; si pensi a farmaci contenenti metalli, all’utilizzo nel medical imaging e nella diagnostica e ad applicazioni nella fotosintesi artificiale.
La ricerca si basa su sintesi organiche, organometalliche ed inorganiche ottenute con tecniche di caratterizzazione spettroscopiche. I risultati appaiono strabilianti. È interessante notare che uno degli aspetti importanti di questo nuovo materiale è che non reagisce in maniera irreversibile con l’ossigeno – anche se assorbe ossigeno in un cosiddetto processo di chemi-assorbimento selettivo. “Il materiale si comporta sia da sensore che da contenitore per l’ossigeno. Possiamo usarlo per legare, memorizzare e trasportare l’ossigeno come una emoglobina artificiale …“, ha spiegato il professor McKenzie.
Gli Aquaman crystal funzionano in maniera molto simile al modo in cui l’emoglobina agisce nel flusso sanguigno. Mentre l’emoglobina usa il ferro, il cristallo usa il cobalto, e in entrambi i processi, l’ossigeno viene raccolto e trasportato dove deve andare. In pratica il metallo aiuta ad intrappolare l’ossigeno in modo che possa essere legato, immagazzinato e trasportato. Una struttura molecolare ed elettronica che consente ai materiali di assorbire l’ossigeno dalle fonti vicine. Questa scoperta potrebbe anche rivelarsi preziosa in molti settori come la regolazione del rifornimento di ossigeno nelle celle a combustibile o la creazione di dispositivi come maschere che utilizzino strati di questo materiale per fornire ossigeno puro a persone direttamente dall’aria senza la necessità di altre apparecchiature. Questo impiego appare quindi molto interessante in campo medico.
Anche se gli sviluppi sembrano promettenti, ci sono alcuni fattori che gli scienziati devono ancora affinare. Nel caso dei subacquei, i cambiamenti di pressione possono diventare un problema una volta che i cristalli siano stati immersi in profondità, poiché gran parte della loro struttura dipende dalla pressione. Un altro problema è che noi Umani non respiriamo ossigeno puro per cui aumentando la profondità l’uso del dispositivo diventerebbe sempre più problematico. La ricerca continua.
in anteprima photo credit andrea mucedola
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L’idea di “estrarre” ossigeno dall’acqua è relativamente recente. La dimostrazione sperimentale che i polmoni dei mammiferi possono funzionare come le branchie venne fornita nel 1962 da Kylstra, Tissing e Var De maen, i quali scoprirono durante i test di laboratorio che una gatta adulta rimaneva in vita per più di diciotto ore respirando una soluzione di sale bilanciata insufflata a 20° C, equivalente all’ossigeno ad una concentrazione di 8 ata. (1). La scoperta, se applicata all’uomo, avrebbe comportato notevoli vantaggi in quanto si sarebbe superato il problema della malattia da decompressione poichè non vi sarebbe stato più gas inerte diluente nei tessuti e nel sangue e, conseguentemente, essendo presente solo un’aggregazione fluida nei polmoni del subacqueo, questi sarebbe potuto riemergere in qualsiasi momento, alla velocità desiderata e senza il timore della formazione di bolle. Tali esperimenti rimasero però solo materia di discussione teorica in quanto un’eventuale applicazione sull’uomo della respirazione fluida avrebbe comportato problemi di non facile soluzione per la bioingegneria quali, ad esempio, la termoregolazione corporea. Inoltre fu lo stesso Kylstra a riscontrare nelle cavie sottoposte a respirazione fluida un problema nella eliminazione del biossido di carbonio. Si pensò quindi di ricorrere a mezzi artificiali e sfruttare le caratteristiche di permeabilità ai gas e impermeabilità all’acqua di alcuni materiali per realizzare delle membrane semipermeabili che consentissero la diffusione dei gas tra il subacqueo e l’acqua circostante. Nel 1965 il fisico americano Waler Robb riuscì a separare l’ossigeno contenuto nell’acqua mediante l’impiego di speciali membrane silicone-caucciù ed utilizzare questo ossigeno per far respirare delle cavie di laboratorio. Con queste membrane venne anche realizzato un apparato subacqueo che – secondo alcune fonti – sarebbe stato effettivamente utilizzato da un subacqueo per un’immersione di oltre un’ ora (2). In occasione del VI ° Congresso della Società Italiana di Medicina Subacquea ed Iperbarica (SIMSI) trenutosi a Napoli nel dicembre 1984, due ricercatori americani, i coniugi Joseph e Clelia Bonaventura, illustrarono un sistema di “branchie artificiali” ideato a seguito di una lunga osservazione della respirazione dei pesci attraverso le branchie. i due ricercatori sintetizzarono un prodotto, denominato “emospugna”, consistente in una sostanza sintetica porosa sulla quale veniva fatta reagire in maniera stabile l’emoglobina di estrazione animale. (3) . – (1) J.A. Adolfonson – T.E. Berghage, “La percezione ed il comportamento del subacqueo, un’analisi in termini psicofisici”. Franco Angeli Editore, Milano, 1977; (2) “SUB” Enciclopedia del subacqueo, vol. 2, Sadea Sansoni editore; (3) Ugo Mastrangelo, “Sott’acqua con le branchie come i pesci”, Sub n. 9, febbraio 1985, pagg. 83-85.
Grazie molto interessante … un buon spunto per un prossimo approfondimento