Le meraviglie scientifiche
dell’Università di Camerino

La crittografia quantistica, lo studio della fisica di tredici miliardi di anni fa, il progetto di un microchip a DNA per rilevare la presenza di virus e batteri nelle acque. Oltre ai telai delle minicar progettati con le simulazioni numeriche dei matematici. Un viaggio nei laboratori dove si respira il fascino (e la fatica) della scienza
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Un laser del laboratorio di Di Giuseppe

di Marco Ricci

L’affascinante mondo della crittografia quantistica, un chip a DNA per lo studio della qualità delle acque, le simulazioni matematiche per la modellizzazione di materiali compositi e la progettazione di un telaio per una minicar. Queste sono solo tre delle ricerche che vengono portate avanti nei laboratori dell’Università di Camerino. Ricercatori giovani  – ovviamente molto spesso precari – passione per la scienza, non si immagina che tra le colline marchigiane si studino i limiti tra la meccanica di Newton e la meccanica quantistica di Heisenberg e Bohr. O che si tenti di rompere la barriera che spesso divide il mondo della ricerca dal mondo della tecnologia e delle imprese.  Abbiamo così girovagato per qualche ora nei laboratori dell’Università – tra sequenziatori di DNA e laser – immergendoci in un ambiente non soltanto giovane e creativo. Ma sopratutto affascinante come lo è solo il mondo della scienza.

 

Gianni di Giuseppe

Gianni di Giuseppe

UN LABORATORIO DI FISICA – Per chi non abbia mai messo piede in un laboratorio di fisica, quello guidato da Giovanni Di Giuseppe potrebbe tranquillamente apparirgli come uno dei luoghi più disordinati del mondo. E forse lo sarebbe anche. Se solo buona parte dei laboratori di fisica non fossero ugualmente caotici, polverosi e non si sa perché quasi tutti bui. Un’accozzaglia infinita di cavi, computer, di laser, schede impolverate accatastate sopra gli armadietti, il laboratorio ha più l’aspetto di un’autocarrozzeria che di una sala operatoria. Così, entrando nel grande stanzone dove tutto vige fuorché l’ordine, nella penombra è difficile immaginare che Di Giuseppe e i suoi giovani collaboratori stiano lavorando anche per rilevare i possibili effetti di uno dei santi graal della fisica moderna, la gravità quantistica. Quella teoria che dovrebbe descrivere i primi istanti successivi al big bang. Quando tutta l’energia dell’universo – che oggi vediamo sprigionarsi sotto forma di luce e materia intorno a noi – era racchiusa in uno spazio infinitesimo. Prima che lo spazio stesso cominciasse ad espandersi, poi la materia a raffreddarsi e a dar vita – centinaia di milioni di anni più tardi – alle prime stelle.

L'evoluzione dell'universo. Nei laboratori di Camerino si studia anche la fisica di 13.7 miliardi di anni fa

L’evoluzione dell’universo dal big bang ad oggi. Nei laboratori di Camerino si studia anche la fisica di 13.7 miliardi di anni fa, quando tutta la materia e l’energia erano racchiusa in un volume infinitamente più piccolo di una capocchia di spillo

Una nascita avvenuta quasi quattordici miliardi di anni fa, quando la densità e la temperatura di quel microscopico universo erano pressoché infinite. Condizioni in cui la relatività generale di Einstein e la bizzarra meccanica quantistica sembrano perdere validità. Sono decenni che i fisici teorici di tutto il mondo cercano una soluzione a questo problema. E l’esperimento condotto a Camerino attraverso i laser di questo laboratorio dovrebbe dare ai fisici teorici delle indicazioni in più. Misurando un valore limite per questa ipotetica forma di gravità che potrebbe aver governato l’universo primordiale.

Le due "valigette"  che comunicano utilizzando la crittografia quantistica

Le due “valigette” che comunicano utilizzando la crittografia quantistica

Tra le tante curiosità il dottor Di Giuseppe ci fa avvicinare a due valigette poggiate sopra un tavolino. Sono collegate tra loro da un normale cavo di rame e da una fibra ottica. In una delle due valigette c’è un laser che attraverso la fibra ottica manda fotoni – cioè luce – verso l’altra valigetta. Nel frattempo nel cavo di rame viene trasmesso un messaggio criptato la cui chiave di decifrazione è scritta sotto forma di quella luce che sta invece viaggiando nella fibra ottica.

A cosa serve tutto questo? A migliorare i sistemi di crittografia e a rendere quasi impenetrabili le comunicazioni. Una scienza – la crittografia – che affonda le sue radici ai tempi di Giulio Cesare e a cui si deve una parte cospicua della vittoria alleata nella seconda guerra mondiale. Quando i laboratori inglesi – in cui ferveva il genio di Alan Turing, lo sfortunato papà dei calcolatori elettronici perseguitato al termine della guerra per la propria omosessualità e infine morto suicida – riuscirono a decifrare i codici della macchina Enigma con cui le forze tedesche avevano reso impenetrabili le loro comunicazioni. Fu così che venne vinta la battaglia dell’Atlantico. Dopo la perdita di centinaia di migliaia di tonnellate di bastimenti. Ma ancora oggi – ai tempi di internet e delle carte di credito – la crittografia è sempre più necessaria per la sicurezza delle informazioni.

La macchina enigma, utilizzata durante la seconda guerra mondiale dai tedeschi per mandare messaggi cifrati

La macchina Enigma, utilizzata durante la seconda guerra mondiale dai tedeschi per lo scambio di messaggi cifrati

“Negli Stati Uniti e in Giappone”, ci spiega Di Giuseppe il cui percorso di ricerca nasce dalla sapienza di Roma per proseguire alla Boston University fino all’approdo a Camerino, “questa ricerca è quasi tutta nelle mani dei militari. Noi  cerchiamo di applicare i teoremi fondamentali della meccanica quantistica procedendo ad un’analisi statistica delle misure effettuate su sistemi quantistici”.

Con il professor Tombesi, l’università di Camerino ha anche creato uno spin-off, CriptoCam. Costituito nel 2008 in risposta alla crescente richiesta di sicurezza nell’ambito delle telecomunicazioni a livello militare, politico, finanziario e commerciale, la società dispone di tutto quel bagaglio di conoscenze necessarie nel settore della crittografia quantistica. Una tecnologia che appunto permette di raggiungere livelli di sicurezza telematica senza precedenti con possibili importanti ricadute commerciali. 

Lasciando a malincuore il laser verde che ci è stato gentilmente acceso sotto i fumi dell’azoto liquido che – come la nebbia – permette di intravedere il cammino della luce tra lenti e specchi, passiamo a visitare la scuola di Bioscienze e Tecnologie dove si respira una scienza diversa ma ugualmente affascinante.

 

La famosa struttura a "doppia elica" del DNA, la molecola che contiene le informazioni sulla vita

La famosa struttura a “doppia elica” del DNA, la molecola che contiene le informazioni sulla vita – Fonte: Mashable.com

LA BIOLOGIA – “Non è sfuggito alla nostra attenzione che lo specifico accoppiamento di basi che abbiamo postulato possa immediatamente suggerire un meccanismo di copiatura del materiale genetico.” Così si concludeva esattamente sessanta anni fa il più celebre lavoro in campo biologico dopo l’origine delle specie di Charles Darwin. Watson e Crick, due giovanissimi ricercatori, con quel lavoro quasi banale apparso su Nature avevano rivelato al mondo la struttura del DNA. La lunga molecola presente pressochè in ogni forma vivente che contiene al proprio interno le informazioni sulla vita. E in questi laboratori, che attraversiamo prima di incontrare il professor Roberto Spurio, è normale vedere al lavoro sequenziatori di DNA o sentir parlare di trasferimento di geni piuttosto che di taglia e cuci di materiale genetico.

Il professor Roberto Spurio all'interno di uno dei suoi laboratori

Il professor Roberto Spurio all’interno di uno dei suoi laboratori

Roberto Spurio, laurea a Camerino nel 1986, diversi anni di attività al Max Plank Istitute di Berlino, guida il gruppo di ricerca che, insieme ad altri undici gruppi sparsi in vari paesi d’Europa porta avanti un progetto da complessivi 2.9 milioni di euro sovvenzionato con fondi europei e il cui coordinamento e nelle mani del professore di Unicam Claudio Gualerzi. E’ il progetto Microacqua per la produzione di sensori in grado di rilevare i virus e i microrganismi patogeni presenti nelle acque dei fiumi e dei laghi. Ma anche altri organismi viventi che possono indicare il livello di qualità delle acque.

Ingrandimento al microscopio di una diatomea, alga unicellulare con le pareti in silice

Ingrandimento al microscopio di una diatomea, alga unicellulare con le pareti in silice

Così la prima cosa che facciamo è infilare l’occhio in un microscopio puntato su una piccola capsula dove sguazzano tranquillamente delle Diatomee. Un gruppo di alghe microscopiche di cui ne esistono migliaia di specie diverse. “La cosa più meravigliosa di questi organismi”, ci spiega Roberto Spurio, “è la loro capacità quando si duplicano di ricreare degli scheletri di silicio perfettamente uguali ai precedenti. Ogni scheletro”, ci spiega, “si differenzia da un altro per striature, pori, per la precisa disposizione delle strutture presenti sull’involucro che racchiude la cellula. Le Diatomee hanno un meccanismo meraviglioso di duplicazione di queste strutture, un meccanismo non ancora spiegato che dovrebbe attrarre ingegneri e architetti.”

Le diatomee contenute in un campione d'acqua analizzato al microscopio

Le diatomee contenute in un campione d’acqua analizzato al microscopio

Il progetto Microacqua ha l’ambizione di mettere a punto un chip a DNA composto da una microscopica griglia. Ogni elemento della griglia può riconoscere e rilevare una particolare microrganismo. Così l’intero chip può simultaneamente determinare la presenza o meno di migliaia di forme viventi contenute in un campione di acqua. Il trucco è quello di spezzettare il DNA delle diverse forme di vita e di identificare una particolare sequenza tipica di ciascuna specie. Un meccanismo infinitamente più pratico e comodo che infilare l’occhio in un microscopio cercando di distinguere una tra le migliaia di specie esistenti di Diatomee. “Le Diatomee non sono di per sé tossiche e vivono comunemente nei fiumi e nei laghi”, va avanti Roberto Spurio, “ma la variazione della composizione delle loro popolazioni, anche relativamente l’una all’altra, può indicare un cambiamento nella qualità delle acque e la presenza di eventuali inquinanti.” 

Un ingrandimento del microarray, ogni "bottone" è una sonda genica in grado di rivelare la presenza di uno specifico organismo

Un ingrandimento del microchip a Dna. Ogni “bottone” è una sonda genica in grado di rivelare la presenza di uno specifico organismo presente nell’acqua

Nato nel 2011, il progetto dovrebbe concludersi nel 2014 con la realizzazione del microchip  in grado di rilevare la presenza nell’acqua di virus, batteri – quali ad esempio la Salmonella – oltre a protozoi, cianobatteri e tossine pericolose per l’uomo. Una tecnologia che evidentemente può avere notevoli ripercussioni economiche oltre che scientifiche. Ma adesso, lasciate da parte le diatomee, proseguiamo verso la sezione di matematica della Scuola di Scienze e Tecnologie dove l’atmosfera è piuttosto diversa.

 

La giovane ricercatrice del dipartimento di Matematica, Simonetta Boria

La giovane ricercatrice del dipartimento di Matematica, Simonetta Boria

MATEMATICA E TECNOLOGIE – I corridoi di matematica sono assolutamente silenziosi. Infinitamente più ordinati del laboratorio di Di Giovanni e senza l’odore di alcool e solventi che si respira sui banchi del professor Spurio. Qui incontriamo una giovanissima ricercatrice, Simonetta Boria, che appartiene al gruppo di ricerca “Modelli matematici per l’industria”. Laureata con lode a Camerino, un dottorato a Pisa di cui ancora tradisce l’accento e l’uso spropositato dei diminutivi tipico dei pisani, Simonetta lavora con il professor Roberto Giambò nel team che ha realizzato la Belumbury Dany, un’auto elettrica oggi commercializzata e che chiunque di noi potrebbe acquistare.

“Qui a Camerino abbiamo curato l’aspetto telaistico”, ci spiega Simonetta, “e la sicurezza passiva. Per fare ciò non solo abbiamo studiato il diversi materiali, tra cui i materiali compositi, ma implementato dei modelli matematici ad hoc in grado di simulare il comportamento del telaio durante un impatto.”

Il modello del telaio sviluppato all'Università di Camerino e il prodotto finale

Il modello del telaio sviluppato all’Università di Camerino e il prodotto finale

Dunque prima lo studio dei materiali, poi la realizzazione di un codice numerico al calcolatore, quindi le simulazioni di impatti e resistenze. Un progetto per la green mobility nato nel 2008/2009 e che ha portato poi nel 2012 – con un secondo progetto – alla produzione in serie della minicar elettrica. Una terza fase di studio si occupa oggi di come trasformare la minicar in una vettura stradale a tutti gli effetti, con tutti gli adeguamenti strutturali necessari.

Le minicar appena uscite dalla fabbrica

Le minicar, appena uscite dalla fabbrica, a Palazzo Ducale. Al centro il Rettore Flavio Corradini e Simonetta Boria

“Abbiamo dovuto rivedere completamente il modello del telaio”, ci dice Simonetta davanti agli articoli di modellazione numerica aperti sulla sua scrivania, “per migliorare non solo la qualità strutturale dell’auto ma anche per rispondere ai criteri di sicurezza stabiliti dai regolamenti”. Oltre ad essere uno dei pochi gruppi di ricerca in Italia in grado di simulare la dinamica dei materiali compositi, il gruppo guidato da Simonetta Boeria proseguirà nella modellizzazione di questi nuovi materiali sempre più utilizzati nel mondo dell’industria, in particolare nei settori navale, meccanico e aerospaziale. E chissà che tra vent’anni un aereo in decollo da Falconara non abbia visto parte del progetto realizzato a Camerino, a due passi dal Palazzo Ducale e a un tiro di schioppo dal Castello di Varano.



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