Scienziate che avrebbero potuto vincere il Premio Nobel. Agnes Pockels (1862-1935).

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Elisabetta Venuti*

Ascoltando a un congresso un seminario in cui si rendeva omaggio a una grande donna scienziato, Rachel Carson, autrice del mitico, importantissimo e criticatissimo “Primavera Silenziosa”, ho pensato che il discorso in occasione delle proclamazioni dei laureati magistrali della sessione autunnale dovesse anch’esso essere dedicato a una donna. Le ragioni c’erano ed erano ottime: entrambe le commissioni di laurea avrebbero avuto presidenti donna e una di esse sarebbe stata formata interamente da donne, evento mai verificatosi nella storia del nostro Dipartimento/Facoltà. Come se non bastasse, il numero delle future laureate uguagliava quello dei laureati. La prima donna che mi è venuta in mente è stata Agnes. Ovvero: Agnes Wilhemine Louise Pockels.

Di lei avevo letto in un libro che nella fretta dei giorni precedenti le lauree non son riuscita a trovare, perso su scaffali sovraccarichi, ma che adesso ho finalmente davanti : – The Art of Science, A Natural History of Ideas – di Richard Hamblyn, nel capitolo intitolato “Surface Tension”. Poche pagine che ne riassumono la vita e i dati del primo, importantissimo lavoro pubblicato in forma di lettera su Nature. A partire da quello, ho poi trovato le altre preziose, poche notizie su Agnes.

Se nel parlare di una donna di scienza la mia scelta è caduta su Agnes i motivi sono diversi: i suoi studi son di chimica fisica – e di chimica fisica delle interfacce in particolare – una disciplina che mi sta molto simpatica e di cui si occupava l’unica donna ordinario che abbia mai incontrato nel mio percorso di studi, la Prof. Gabriella Gabrielli. Inoltre il mondo di Agnes era quello in cui a molte ragazze capitava di essere relegate (o può ancora capitare, in altre mondi, in altre società, oppure?), ma proprio in quel mondo lei trovò l’ispirazione per le sue ricerche, e ciò probabilmente fa della sua storia la storia di molte donne, almeno nelle aspirazioni, se non nella genialità che la contraddistingue.

Agnes nasce nel 1862 da genitori tedeschi a Venezia, quando il padre è ufficiale dell’esercito austro-ungarico in stanza nel Triveneto. In Italia entrambi i genitori si ammalano di malaria e pertanto il padre viene congedato e si ritira in pensione a Braunschweig, nella bassa Sassonia, quando Agnes è ancora piccola. Qui lei frequenta una scuola femminile, in cui non si insegnano molto le scienze, o comunque non ci si preoccupa di impartire alle allieve un approccio razionale ai problemi. Peccato, perché come dirà lei settantenne :- Avevo un interesse appassionato nella scienza, soprattutto nella fisica, e mi sarebbe piaciuto studiare…”(W. Ostwald, Kolloid Zeitschrift, 58,1 (1932)). Quando la scuola finisce, il ruolo di Agnes diventa quello di curare i genitori, sempre più anziani, sempre più cagionevoli di salute e difficili da trattare. Il legame con la scienza, anzi con la fisica, si forma e si mantiene attraverso il rapporto con il fratello minore Fritz, che la studia all’Università. Dalla cucina in cui passa molto del suo tempo per i lavori domestici, Agnes ha accesso a libri e riviste, che Fritz le procura. Nella cucina trova anche che il complesso comportamento dell’acqua sporca della lavatura dei piatti è affascinante. Con l’acqua comincia quindi a fare esperimenti, tanto da progettare e costruire un semplice strumento – noto adesso come l’apparato di Pockel – che le permette di verificare l’effetto della presenza di impurezze organiche sulla tensione superficiale dei liquidi.

Ma leggiamone la descrizione che lei stessa ne da, tratta dalla lettera di cui fra poco diremo, e vediamo quanto sia simile a uno strumento successivo, quello di Langmuir: “… descriverò un semplice metodo per aumentare o diminuire la superficie di un liquido in ogni proporzione, così che la sua purezza possa essere modificata a piacere. Una vasca rettangolare di stagno, lunga 70 cm, larga 5cm e profonda 2cm, si riempie con acqua fino all’orlo. Una striscia, anch’essa di stagno e larga 1.5 cm, vi viene collocata di traverso, perpendicolarmente alla lunghezza, in modo che la sua faccia inferiore sia in contatto con la superficie dell’acqua e la divida in due porzioni. Muovendo la partizione verso destra o sinistra, la superficie di ciascuna delle porzioni può essere allungata o accorciata, e la quantità dello spostamento può essere letta su una scala posta lungo il lato della vasca. Indubbiamente il sistema presenta un certo grado di imperfezione….Misuro la tensione superficiale del liquido mediante il peso necessario per separare dalla superficie un piccolo disco piatto del diametro di 6 mm, e per misurarlo uso una stadera leggera”.

Agnes non riesce a trovare nella letteratura scientifica del fratello informazioni su quello che lei sta misurando e cioè che all’aumentare della concentrazione delle impurezze organiche presenti diminuisce la tensione superficiale dell’acqua, né riesce a interessare all’argomento nessuno che lavori all’università della sua città. Tuttavia nel 1888 viene a sapere che il fisico inglese Lord Rayleigh, professore di Filosofia Naturale a Cambridge, sta conducendo studi simili. E allora prende il coraggio e gli scrive quella lettera appena menzionata. L’inizio della sua lettera mi commuove ogni volta che lo rileggo : “My Lord, scuserà gentilmente il mio ardire di disturbarla con una lettera in tedesco su un soggetto scientifico? Avendo sentito delle fruttuose ricerche da Lei condotte nell’anno passato sulle proprietà, finora poco capite, delle superfici di acqua, ho pensato che potessero interessarla alcune mie osservazioni sull’argomento. Per varie ragioni io non mi trovo in una posizione che mi permetta di pubblicare in giornali scientifici, e quindi userò questo mezzo per descrivere ciò che mi sembra un risultato interessante.” La lettera continua con la minuziosa e dettagliata descrizione di una serie di evidenze sperimentali, suffragate da moltissime osservazioni. Le conclusioni di Agnes, riguardanti le variazioni della tensione superficiale dell’acqua e gli effetti del contatto fra solidi e superfici, sono così interessanti che Rayleigh la inoltra a Nature, perché ne pubblichino la traduzione, in considerazione del fatto che “una signora tedesca, con mezzi molto casalinghi, è giunta a risultati di valore concernenti le superfici d’acqua contaminate…. muovendosi su argomenti molto simili a quelli di un mio recente lavoro, e in accordo con esso.” (Surface Tension (1891) Nature 46, 437).

Agnes, incoraggiata dall’appoggio di Rayleigh e in grado di mantenere i contatti con il mondo accademico anche grazie al fratello, che vi lavora come fisico teorico, prende confidenza e pubblicherà numerosi lavori negli anni successivi alla prima pubblicazione su Nature del 1891. La sua produzione non è continua e dipende dall’assiduità e dalla gravosità delle cure per i genitori, che si ammalano sempre di più e che non trascurerà mai :” Come un soldato, mi son schierata al mio posto, dove il dovere mi voleva…” (e quante donne non si riconoscono in questa frase?), ma ancora nel 1914 pubblica, per esempio, risultati sull’angolo di contatto ”(W. Ostwald, Kolloid Zeitschrift, 58,1 (1932)). La morte prematura del fratello nel 1913 rende molto più difficili i rapporti con il mondo accademico e poi le condizioni della Germania post-bellica della repubblica di Weimar la fanno scivolare verso la condizione di signora borghese, dedita a pochi, intelligenti passatempi e all’aiuto del prossimo, con il supporto di parenti emigrati negli Stati Uniti.

Il suo notevole lavoro viene riconosciuto quando viene insignita, prima donna, del premio Laura R. Leonard della Kolloid Gesellschaft (ed è interessante una nota trovata su testi che ho consultato: il premio era intitolato a Laura Leonard, moglie di M. Fischer, un fisiologo tedesco, che si occupava di fisiologia dei colloidi, emigrato in USA e rimasto in contatto con i suoi colleghi tedeschi; nella lista dei premiati, ciascuno compare con un titolo accademico o professionale, ma per Agnes l’appellativo è “Hausfrau”, casalinga). Ormai settantenne, prima e unica donna nella storia di TU- Braunschweig, le viene assegnato il dottorato in Ingegneria.

Nell’apprendere che il campo delle sue ricerche si allargava, il suo commento sarà: “Ho saputo con mia grande gioia che il mio lavoro viene usato da altri per i loro stessi studi”.

Elenco dei lavori di Agnes Pockel

(1) Surface Tension, Nature, 46, 437 (1891).

(2) On the relative contamination of the water surface by equal quantities of different substances, Nature 47, 418 (1892).

(3) Relations between the surface tension and relative contamination of water surfaces, Nature, 48, 152 (1893).

(4) On the spreading of oil upon water, Nature 50, 223 (1894).

(5) Beobachtungen über die Adhäsion verschiedener Flüssigkeiten an Glas, Naturwissenschaftliche Rundschau, 14, 190 (1898).

(6) Randwinkel gesättigter Lösungen an Kristallen, Naturwissenschaftliche Rundschau, 14, 383 (1899).

(7) Untersuchungen von Grenzflächenspannungen mit der Cohäsionswaage, (1899) Annalen der Physik, 67, 668 (1899).

(8) Über das spontane Sinken der Oberflächenspannung von Wasser, wässerigen Lösungen und Emulsionen, Annalen der Physik, 8, 854 (1902).

(9) Über Randwinkel und Ausbreitung von Flüssigkeiten auf festen Körpern, Physikalische Zeitschrift, 15, 39 (1914).

(10) Zur Frage der zeitlichen Veränderung der Oberflächenspannung, Physikalische Zeitschrift, 17, 141 (1916).

(11) Über die Ausbreitung reiner und gemischter Flüssigkeiten auf Wasser, Physikalische Zeitschrift, 17, 142 (1916).

(12) Die Anomalie der Wasseroberfläche Die Naturwissenschaften, 5, 137 u. 149 (1917).

(13) Zur Frage der Ölflecke auf Seen Die Naturwissenschaften, 6, 118 (1918).

(14) The measurement of surface tension with the balance Science 64, 304 (1926).

Riferimenti Bibliografici

Agnes Pockels: Life, Letters and Papers by Christiane A. Helm https://www.aps.org/programs/women/workshops/upload/helm.pdf

The Art of Science: a Natural History of Ideas , Picador, Macmillan Publisher Ltd (London), 2011.

Agnes Pockel di Katharina Al-Shamery in European Women in Chemistry, a cura di Jan Apotheker and Livia Simon Sarkadi, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2011.

*Elisabetta Venuti è professore associato in Chimica Fisica presso il dipartimento di Chimica Industriale “Toso Montanari” dell’Università di Bologna. La sua attività di ricerca recentemente si è focalizzata sull’indagine delle proprietà strutturali, dinamiche e di trasporto di solidi molecolari e in particolare di materiali per l’elettronica organica, mediante l’impiego di tecniche di spettroscopia ottica quali la microscopia Raman confocale su cristalli singoli e in film sottile. L’approccio spettroscopico  viene completato con il supporto di metodi DFT-d per la descrizione dello stato solido, unitamente a metodi di dinamica reticolare e di dinamica molecolare.

Le molecole della pubblicità: l’anticalcare.1.

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo  

a cura di Claudio Della Volpe

L’acqua che usiamo tutti i giorni è di fatto una soluzione diluita di vari ioni fra i quali predominano sodio e calcio (e magnesio) fra i cationi e il cloruro e il carbonato fra gli anioni; quest’ultimo viene anche da una sorgente praticamente inesauribile, quel medesimo diossido di carbonio atmosferico che è il nostro cruccio climatico basilare (è inesauribile perchè alimentata a sua volta dal discioglimento della piattaforma carbonatica nel ciclo del carbonio su scala geologica).

calcare1

Lee R. Kump,James F. Kasting,Robert G. Crane-The Earth System-Pearson (2009)

Perfino quando distilliamo l’acqua, se non usiamo protezioni, la ridissoluzione del CO2 avviene in tempi brevissimi, spostando il pH verso valori di 5.5-6 e rendendo l’acqua distillata una soluzione acidula. La evaporazione, anche parziale, di una tale soluzione contenente ioni calcio, magnesio e carbonato lascia un velo di materiale insolubile costituito principalmente di carbonato di calcio (e magnesio a volte).

Questo dipende dal fatto che il prodotto di solubilità per questa coppia di ioni è:

calcare25in moli2. Una concentrazione dunque dell’ordine di 10-4 mol/litro di entrambi è sufficiente a far precipitare il calcare.

In realtà dato che la concentrazione di ione carbonato dipende da quella del diossido e dal pH a causa dell’esistenza dello ione bicarbonato, anche la solubilità del calcare dipende dal pH; se indichiamo la costante di equilibrio del bicarbonato/carbonato con Ka2, allora abbiamo

solubilità= [Ca2+] =√ Kps ( [H+]/Ka2 + 1) 

Comunque si tratta di una situazione comune e basta un pò di evaporazione a mettersi nelle condizioni adatte alla precipitazione del calcare.

Il calcare, questo il nome comune del composto, si rideposita dunque su tutte le superfici bagnate da un velo di acqua, come i vetri, i metalli, i tessuti, la pelle, etc.

In alcuni casi questo deposito compatto, rappresentato qui sottocalcare2ingloba e aiuta a trattenere sporco, polvere, detriti batterici, altri materiali (per esempio capelli e grasso cutaneo) e forma un film duro e compatto difficile da eliminare che tende a ricoprire le superfici ed otturare i tubi, bloccare i meccanismi, opacizzare tutto, un disturbo non da poco e contro il quale ci sono pochi strumenti efficaci.

calcare3dalla pagina RCS: Gli effetti del calcare: un elemento riscaldante nuovo e

….uno con depositi di calcare

calcare4dal sito RCS: Immagine SEM di fibre senza depositi di calcarecalcare5

dal sito RCS: Immagine SEM di fibre con depositi di calcarecalcare6Ovviamente si può agire ab-initio per così dire, ossia usare delle resine a scambio ionico, dei materiali polimerici porosi contenenti ioni di sodio per esempio che vengono messe a contatto con l’acqua e scambiano gli ioni sodio con quelli calcio, il sistema funziona, ma abbisogna di investimento iniziale e di ricambi continui oltre ad essere un dispositivo da tenere ben pulito dai batteri; alternative esotiche pure ce ne sono: c’è chi promette di liberarci dalla precipitazione del calcare usando “campi magnetici” o trattamenti elettromagnetici vari; la cosa è considerata in genere altamente dubbia sebbene ci siano in letteratura degli esperimenti che vanno in questa direzione.

Rimangono i rimedi della nonna e gli anticalcare commerciali.

Il rimedio sovrano della nonna è di ripassare le superfici o sciacquare i tubi e i meccanismi con una soluzione calda acida e l’aceto possiede i requisiti giusti, non è un acido forte, non è costoso, non è pericoloso; dunque aceto a volontà; tuttavia l’aceto ha anche i suoi problemi: efficace al momento, non preventivo, relativamente inefficace su depositi vecchi, cattivo odore, etc.

Personalmente nei tubi degli scarichi (non in lavatrice!) trovo utile combinare trattamenti acido-base: aceto caldo e poi soda caustica, per attaccare sia calcare che grassi.

Ci sono invece una serie di prodotti commerciali, “furbi” di cui discuteremo qui due esempi: Viakal e Calgon (2 parte del post), uno usato per le superfici e l’altro per le lavatrici (tubi e parti meccaniche in genere):come funzionano?

calcare7 calcare8

Viakal, un prodotto Procter&Gamble, una azienda multinazionale base in USA fondata nel 1837 che ha 110.000 dipendenti in 70 paesi. Possiede marchi come Gillette, Pantene, Vicks, OralB, Lenor, Febreeze e tanti altri.

Viakal ha una composizione abbastanza semplice: è una soluzione in cui ci sono due acidi: citrico e formico, l’acido degli agrumi e quello delle formiche per capirci, (anche se credo siano entrambi di origine industriale) ed un tensioattivo non-ionico. Tutti fra 1 e 5% di concentrazione. Teniamo presente che l’acido citrico è prodotto con un processo di fermentazione industriale, è un prodotto batterico per quel che può valere agli occhi del pubblico, solido a temperatura ambiente.

calcare9

acido citrico

calcare10

acido formico

L’acido formico invece è un prodotto di sintesi, prodotto la prima volta nel 1670 distillando ….formiche, liquido a t ambiente.

Non so se sapete che il bagno di formiche è usato dalla ghiandaia (e dal corvo) per liberarsi dai parassiti; quando ha troppi parassiti l’intelligente uccello si adagia su un formicaio in posa di attacco e le formiche le spruzzano l’acido formico. (http://www.isaporidisicilia.com/iboschidibuccheri/ghiandaia.htm)calcare11 calcare12

con reciproca soddisfazione.

calcare13

Struttura dello ione citrato 3-.

Il ruolo dei due acidi è chiaro, reagiscono col calcare e lo sciolgono; sono acidi deboli entrambi (Ka (I ionizzazione) dell’acido citrico 7.4x 10-3e formico 1.8×10-4) notate che la costante acida è maggiore per il citrico e minore per il formico e il citrico è più concentrato nel limone che nel Viakal (5-7%). Sconsigliamo di mescolare il prodotto con la candeggina per il noto motivo riportato qui qualche post fa da Mauro Icardi. Entrambi sono acidi più forti dell’acido acetico (Ka=1.8×10-5). E’ da considerare che l’acido citrico, nella forma di citrato, che è presente in soluzione comunque in bassa concentrazione, dato che il citrico è un acido debole, è anche un “complessante” dello ione calcio, ossia è in grado di mantenere in soluzione lo ione formando un complesso tenuto insieme dalle diverse cariche elettriche (negativo il citrato, positivo il calcio) . Alla fine della reazione l’acido citrico sarà diventato in massima parte citrato e allora diventerà anche un complessante. Questo ovviamente aiuta il processo finale.

I tre atomi di ossigeno o anche solo alcuni (1 o 2) carichi negativamente possono interagire con lo ione tenuto al “centro” della struttura:calcare14Quindi l’acido citrico ha un doppio ruolo, prima reagisce con il calcare e poi mantiene in soluzione lo ione.

Ma a cosa serve allora il tensioattivo non ionico?

calcare15

C9 etossilato

Questa è una cosa sfiziosa anche perchè costituisce la base della pubblicità del prodotto: secondo la pubblicità il calcare non si riforma, cosa che non succede se usate solo aceto ovviamente, l’aceto va bene per curare non per prevenire.

Il motivo è che il tensioativo non ionico usato aderisce alle superfici delle mattonelle e forma un film idrofobico che rende più difficile la conservazione di un film d’acqua; di solito questo è più efficace su superfici inclinate come appunto quelle delle mattonelle del bagno o della doccia; l’acqua su una superficie idrofobica non viene trattenuta facilmente, il suo angolo di contatto è più elevato e quindi essa scivola via più facilmente; e l’effetto è più forte su superfici leggermente rugose (si veda nota*).

Alcuni tensioattivi non ionici e cationici funzionano da cosiddetti “rinsing aids” ossia aiutanti nel risciacquamento alla lettera; aiutano a far scivolare l’acqua dalle superfici.

Quando voi andate a pulire l’auto negli impianti automatici, non so se lo avete notato, ma usate DUE distinti tensioattivi nelle due fasi di pulizia: nella prima togliete lo sporco col classico tensioattivo anionico (testa negativa coda idrofobica e controione positivo) mentre nella seconda fase sulla superficie già pulita e che volete liberare dall’acqua e tenere asciutta e lucida, spruzzate un rinsing aid cosituito da un tensioattivo cationico (testa positiva, coda idrofobica e controione negativo) di solito un sale di tetraalchilammonio. Questo secondo si attacca alla superficie della vernice della vostra auto che il tempo e gli UV solari contribuiscono ad ossidare e che quindi ha un notevole potenziale “basico di Lewis” ossia è un po’ elettrondonatore e lasciano sgambettare liberamente le gambe idrofobiche all’aria, cosa che gli anionici non potrebbero fare; la superficie con un po’ di aiuto da uno spruzzo di aria rimane alla fine lucida e libera sia dallo sporco che dall’acqua; lo stesso fa il tensioattivo del Viakal; non so perchè usi un non ionico, ossia un tensioattivo senza carica netta, forse per motivi di costo. Se l’acqua scivola via non lascia calcare quando evapora (lo lascia altrove).

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Rappresentazione dei tensioattivi. Dall’alto verso il basso: non ionici, anionici, cationici, anfoteri.

Il tensioattivo non ionico in questione è un estere di acido carbossilico a catena intermedia 9-11 atomi di carbonio. Le sue code sono certamente idrofobiche e se il materiale si coordina bene, se le molecole si allineano bene come le gambe di un corpo di ballo, la superficie formata espone anche i terminali -CH3 finali non solo i metileni di catena.

Questo rende la superficie meno bagnabile ancora. Non esistono sostanze naturali comuni che imitino il comportamento “cerante” del tensioattivo nonionico o cationico e così comuni da usare in sostituzione. O se ci sono fatemelo sapere.

Abbiamo visto insomma che ogni sostanza ha un ruolo ben preciso, non ci sono componenti inutili.

per approfondire:

Sito misto RCS-Benckiser: http://www.rsc.org/learn-chemistry/resources/chemistry-in-your-cupboard/calgon/10

(continua)

*Nota. La condizione di scivolamento per una goccia non è una cosa banalissima da dimostrare scientificamente; in effetti lo scivolamento di una goccia da una superficie dipende da un aspetto della bagnabilità che è ignoto al grande pubblico e anche a molti colleghi: la cosiddetta isteresi, cioè la differenza fra l’angolo di contatto di avanzamento e di recessione. L’angolo di contatto è quello indicato in figura come θr e θa, recessione e avanzamento. C’è anche un equazione che si chiama equazione di Furnidge, la goccia che scivola è asimmetrica e lo scivolamento è tanto più favorito quanto meno sono diverse le due estremità la testa e la coda della goccia. Se sono diverse la differenza di componenti dovute alla tensione superficiale si oppone al peso e la goccia non scivola, se sono uguali la goccia scivola via; lo scivolamento è tanto più facile quanto più i due valori sono simili (bassa isteresi). In genere quanto più la superficie è idrofobica tanto più la differenza tende ad essere ridotta e gli angoli entrambi alti, ma ci sono casi in cui la differenza è alta nonostante la superficie sia idrofobica(cioè angolo maggiore di 90°) in avanzamento.

Infine anche questa è una approssimazione perchè la goccia sul piano inclinato di Furnidge è un corpo “rigido” mentre la goccia vera si deforma e la parte anteriore non trattenuta scivola via allungando e deformando la goccia trattenuta (“pinning” è il termine inglese) dalla sua coda idrofilica. Superfici superidrofobiche, ossia molto idrofobiche e con bassa isteresi che rimangono sempre asciutte si possono ottenere introducendo una modifica geometrica che renda la superficie già idrofobica, ossia con un angolo di contatto superiore a 90°, anche molto rugosa, e quindi trattenendo aria fra le rugosità: in natura esistono esempi noti, come il loto, e meno noti, come il cavolo cappuccio, di superfici superidrofobiche.

(continua).

Chi gli ha dato il nome? Wilhelmy.

a cura di Claudio Della Volpe

La bilancia è un dispositivo basilare nel laboratorio del chimico; da quando Lavoisier ha iniziato a porre il problema di risultati quantitativi la superiorità dello strumento bilancia in laboratorio non è mai venuto meno; la qualità, la precisione e la versatilità delle bilance moderne han fatto il resto.

Gli usi delle bilance sono quindi divenuti innumerevoli; il caso di cui vi parlo oggi è quello di una bilancia meno conosciuta delle altre, ma non per questo meno interessante; si tratta di una bilancia che serve a stabilire il grado di bagnabilità di una superficie, ossia la bilancia di Wilhelmy.

Ludwig Ferdinand Wilhelmy

Ludwig Ferdinand Wilhelmy

Ludwig Ferdinand Wilhelmy nacque il giorno di Natale 1812 in Pomerania, a Stargard, attualmente Polonia, e andò poi a studiare farmacia a Berlino. Tornò a lavorare in farmacia col padre finchè nel 1843 il suo desiderio di occuparsi di ricerca non la vinse ed egli tornò a studiare ricevendo il suo dottorato nel 1846 ad Heidelberg discutendo una tesi sul calore come misura della coesione dei corpi.

Rimase in effetti uno scienziato dilettante, e la gran parte dei suoi lavori fu svolta non all’università, dove rimase come docente solo pochi anni, ma nella sua abitazione personale, una villa riadattata a laboratorio; fu anche un membro rispettato della Società di Fisica, che aveva fondato con Magnus a Berlino. Alla pari di Paul du Bois-Reymond, Clausius, Helmholtz e Werner Siemens fu uno degli scienziati di punta della giovane chimica-fisica europea.

wilh1863Il suo lavoro più famoso fu pubblicato nel 1850 e riguardava la cinetica di inversione del saccarosio, un esperimento classico che molti di noi hanno ripetuto in laboratorio eseguendolo come lui fece attraverso un polarimetro; ma Wilhelmy fece di più perchè introdusse il concetto di velocità di reazione, cioè non solo realizzò l’esperimento nel modo giusto ma lo interpretò (o almeno iniziò a farlo) secondo i criteri che noi oggi usiamo; tuttavia il suo ruolo nello sviluppo di una moderna concezione della catalisi fu misconosciuto per 30 anni e fu rivendicato solo da Wilhelm Ostwald nella sua Nobel Lecture nel 1909, riconoscendogli quel primato che il suo anticipo sui tempi di sviluppo della chimica fisica gli aveva inizialmente negato.

Nel 1863 pubblicò il lavoro, che presentava la tecnica di misura della tensione superficiale che usa la bilancia; l’idea di base è di sfruttare l’equilibrio fra le forze che agiscono all’interfaccia liquido-solido-gas, ossia il peso del corpo, la spinta di galleggiamento della parte immersa e la tensione superficiale, o se volete il peso del menisco liquido.

la situazione fisica del menisco nell'esperimento di W.

la situazione fisica del menisco nell’esperimento di W.

La tecnica si può usare sia per misurare la tensione superficiale che l’angolo di contatto e perfino per determinare il perimetro di fibre molto sottili e di sezione irregolare; e in effetti la sua diffusione nel campo degli studi di superficie e l’uso in particolare nel caso dei film di Langmuir-Blodgett, dove costituisce lo strumento principe per monitorare lo stato del film ottenuto (è l’elemento di misura del cosiddetto “trough”), hanno fatto si che essa sia spesso chiamata bilancia di Langmuir, a causa della vasta diffusione di studi su questo soggetto, seppure occorre dire che i dettagli dei due strumenti siano leggermente diversi.

Più comunemente la bilancia di Wilhelmy viene usata per misurare la bagnabilità dei corpi oppure la tensione superficiale delle soluzioni, per esempio di tensioattivo.

L’invenzione originale di Wilhelmy si è potuta sviluppare al suo livello attuale di sofisticazione solo dopo la messa a punto di strumenti di misura della massa dei corpi molto sensibili, le cosidette microbilance, in grado di misurare anche una frazione di microgrammo, e soprattutto dopo lo sviluppo del computer che costituisce lo strumento di base in grado di leggere sicuramente e velocemente il valore della forza F, mentre un motore privo di vibrazioni spinge verso l’alto o verso il basso il liquido testato ad una velocità bassa e costante, che non modifichi in modo sensibile la forma del menisco a contatto con il campione.

Le problematiche a questo riguardo sono molteplici: per esempio si possono testare corpi con forme geometriche anche complesse, come le lenti intraoculari o i cateteri il cui trattamento superficiale deve rispondere a criteri molto precisi per svolgere opportunamente il proprio ruolo di dispositivo biomedico.

A questo riguardo occorre ricordare la figura di Lee Cahn, un ingegnere che è stato l’inventore di molti dei più moderni aspetti dell’elettrobilancia come noi oggi la conosciamo. L’elettrobilancia funziona sulla base del principio che i due bracci sono all’equilibrio per l’effetto di forze di tipo elettromagnetico e viene costantemente monitorata la corrente necessaria a mantenere tale equilibrio se i bracci vengono perturbati; è quindi sempre necessario fare una taratura del sistema prima di usarlo.

Anche i motori necessari al movimento del liquido devono rispondere a requisiti di bassissima vibrazione.

Tuttavia si puo’ notare una cosa interessante; negli ultimi anni ci si è resi conto che un disturbo vibrazionale, indotto artificialmente, può consentire di far raggiungere al menisco uno stato di equilibrio termodinamico, il che consente di superare la situazione tradizionale, in cui le grandezze legate all’esistenza del menisco sono generalmente caratterizzate in stati metastabili e non di equilibrio, e quindi non equivalenti all’angolo ideale o angolo di Young.

Il settore della bagnabilità e dei film superficiali è in forte sviluppo e davanti all’esperimento di Wilhelmy, dopo 150 anni esatti, c’è ancora un interessante futuro. Personalmente posso dire che dopo 20 anni e più che mi dedico a studiare gli usi e a perfezionare la bilancia di Wilhelmy riesco ancora a scovare applicazioni nuove e a cui nessuno aveva mai pensato o nuove modalità di funzionamento.

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W.Pauli

D’altronde non ci si puo’ stupire di questo, se perfino Wolfgang Pauli ebbe a dire:

 “God made solids, but surfaces were the work of the devil”.

Per approfondire:

-Wilhelmy L. Ann. Phys. 1863 119 177

-Lord Rayleigh Philos. Mag. 1899 48 (ser.5) 321

-Wilhelmy L. “Ueber das Gesetz, nach welchem die Einwirkung der Säuren auf den Rohrzucker stattfindet,” in Annalen der Physik und Chemie,81 (1850), 413–433, 499–526

-Ralph H. Müller- Lee Cahn, Inventor, Extended Uses of the Electrobalance Principle Anal. Chem., 1967, 39 (12), pp 121A–121A

-W. Ostwald, Nobel Lecture, “On Catalysis” December 12, 1909

-http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1909/ostwald-lecture.html?print=1

-http://www.encyclopedia.com/doc/1G2-2830904658.html-http://en.wikipedia.org/wiki/Langmuir%E2%80%93Blodgett_trough e la bibliografia ivi contenuta