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CNR: Alamanacco della Scienza

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N. 16 - 1 set 2021
ISSN 2037-4801

Focus - Equilibrio  

Tecnologia

Quando lo squilibrio torna utile

Non si può non considerare con interesse il non-equilibrio, in particolare quando si verifica in condizioni che rivelano occasioni di applicazione tecnologica molto promettenti. “Il plasma è un gas ionizzato, ossia un gas in cui, grazie a intensi campi elettrici, si sono rotti i legami tra elettroni e ioni all'interno dell'atomo; uno stato della materia di cui è composto praticamente tutto l'Universo, oltre il 90%, ma che può essere generato anche artificialmente e successivamente controllato in base al suo impiego”, spiega Matteo Zuin, ricercatore dellìIstituto per la scienza e tecnologia dei plasmi (Istp) del Cnr al Consorzio Rfx. “È il caso delle sorgenti al plasma per la cura delle infezioni della superficie oculare, per l'accelerazione della coagulazione del sangue e della guarigione di ferite anche croniche: nuovi brevetti per apparecchiature biomedicali, prodotti con tecnologie al plasma, sono stati sviluppati nel nostro Istituto per la scienza e tecnologia dei plasmi (Istp) del Cnr”.

Ricercatori di tutto il mondo sono impegnati nella realizzazione di grandi impianti di ricerca sulla fusione termonucleare controllata, con la generazione di plasmi ad altissima temperatura confinati magneticamente, con l'obiettivo di giungere entro questo secolo alla produzione di elettricità. Nell'attesa, già da tempo, lo sviluppo della tecnologia al plasma ha visto sul mercato la comparsa di prodotti molto diffusi, come gli schermi. Oggi assistiamo allo sviluppo di nuove applicazioni anche nel campo biomedicale, con utilizzo di plasmi cosiddetti freddi. “Il salto di qualità è arrivato con la realizzazione di sorgenti in grado di sostenere scariche elettriche, ovvero plasmi, in una condizione di non-equilibrio, a pressione atmosferica, caratterizzate da una temperatura degli elettroni elevata, mentre gli ioni rimangono a temperatura ambiente”, chiarisce il ricercatore. “Così come avviene nei gas più comuni, la temperatura del plasma è determinata dall'energia media legata al movimento delle particelle. Il plasma è però composto di particelle diverse più o meno pesanti - elettroni, ioni o molecole neutre -, le cui temperature possono variare e trovarsi quindi in una condizione di non-equilibrio”.

In natura, tutto tende all'equilibrio e la fisica della materia non fa eccezione. “Generalmente l'energia passa, attraverso collisioni, dagli elettroni alle particelle più pesanti, i neutri e gli ioni, e ciò fa sì che l'energia media tenda a equilibrarsi e che il sistema si porti verso una sola temperatura, con la generazione di plasmi chiamati termici”, continua Zuin.

Cosa accade quando il plasma non si trova in questa condizione, quando è la temperatura elettronica a prevalere e la massa delle particelle pesanti supera quella degli elettroni? “In questo caso, le temperature sono diverse ed è esattamente quello che si vuole ottenere applicando impulsi elettrici a elevata frequenza; essi generano plasmi di non-equilibrio che, quando vengono applicati alla materia vivente, sono in grado di indurre delle interessanti reazioni cellulari”, aggiunge l'esperto. “Questi plasmi diventano utili ad esempio per la disinfezione di superfici biologiche sensibili, come nel caso della terapia delle ulcere corneali, massima causa di cecità nel mondo, o per la guarigione accelerata di ferite”.

In questi anni, il meccanismo di interazione tra il plasma e il materiale biologico è stato investigato in dettaglio e, nonostante la complessità dei fenomeni, si hanno oggi molte informazioni su come si comportano gli agenti creati durante le scariche al plasma. “Le specie chimiche reattive indotte dalla presenza degli elettroni liberi si sono dimostrate estremamente utili per la sterilizzazione dei tessuti, essendo in grado di sviluppare una forte azione battericida, senza danni ai tessuti che, anzi, vengono stimolati nella loro rigenerazione”, conclude Zuin. “Inoltre, è allo studio il ruolo delle cariche elettriche depositate sulla superficie cellulare, che risentono di una forza elettrostatica e inducono una modificazione della membrana della cellula, più o meno intensa a seconda delle dimensioni delle cellule e della irregolarità della loro superficie. L'applicazione dei plasmi freddi sta progredendo anche allo scopo di indurre l'apoptosi, ovvero la morte programmata di cellule tumorali, con l'obiettivo di sviluppare un trattamento selettivo”.

I campi di applicazione dei plasmi non termici si estendono a diversi settori, da quello della sterilizzazione di materiali medicali, che sta prendendo sempre più piede con la produzione di miscele di plasmi sterilizzanti realizzati all'interno di una camera da vuoto che contiene l'oggetto da sterilizzare, a quello in campo non biomedicale, dove è possibile modificare le proprietà superficiali dei materiali, ad esempio producendo tessuti completamente permeabili o impermeabili. In conclusione, quando sono le particelle a farla da padrone, ioni ed elettroni, per loro natura sempre in movimento, si scambiano energia, a volte senza raggiungere un preciso equilibrio, ma generando stati che l'uomo può cogliere a proprio vantaggio. Mentre aspettiamo che il sogno dell'energia da fusione, pulita, sicura e abbondante diventi realtà sfruttando plasmi termici ad altissima energia, le applicazioni della ricerca sui plasmi portati a temperature ambiente sono già una realtà e sono pronte ad entrare sul mercato.

Maria Teresa Orlando

Fonte: Matteo Zuin, Istituto per la scienza e tecnologia dei plasmi-Consorzio Rfx , email matteo.zuin@igi.cnr.it -