Immagine realizzata con strumenti di Intelligenza Artificiale

 Clicca qui per ascoltare

La scienza degli spaghetti: e ciò che rivela sull'universo

di Achille De Tommaso

Sentiamo parlare soprattutto della fisica del cosmo e del minuscolo, della forma del nostro universo e della natura delle particelle che lo compongono. Ma i fisici hanno, ANCHE LORO, una vita al di fuori del laboratorio; e talvolta il loro modo di mettere in discussione l'universo si riversa nelle loro abitudini quotidiane.

E c'è un oggetto di uso comune che li ossessiona in modo particolare: gli spaghetti.

E parlo seriamente

***

Già da almeno un secolo, gli spaghetti sono stati infatti oggetto di studi scientifici rigorosi. Attraverso queste ricerche, i fisici continuano a scoprire novità sullo stato solido della materia, sulla chimica degli alimenti e persino a tracciare collegamenti con l'origine della vita. Il flusso costante della "scienza degli spaghetti" dimostra che domande profonde si celano nelle nostre routine ordinarie, e che ci sono molti fisici, soprattutto quelli a dieta e affamati, che non riescono a smettere di porsi queste domande.

Ad esempio: quanto sottili possono essere gli spaghetti?

Il tipico “spaghetto” – termine usato per indicare un singolo filo di spaghetti – ha uno spessore compreso tra 1 e 2 mm. Ma altri tipi di pasta lunga variano notevolmente in diametro, dai bucatini (3 mm), agli udon di circa 4 mm, ai capelli d'angelo di appena 0,8 mm. Per la vostra curiosità: I fili artigianali più sottili, noti come "su filindeu", raggiungono i 0,4 mm, così esili che solo poche donne a Nuoro, sanno come realizzarli.

LA NANOPASTA

Recentemente, tuttavia, un team di ricercatori dell'University College di Londra si è chiesto se le attrezzature di laboratorio del XXI secolo potessero fare di meglio. Hanno utilizzato una tecnica chiamata "elettrofilatura". Innanzitutto, hanno sciolto della farina in una soluzione speciale elettricamente caricata in una siringa. Successivamente, hanno tenuto la siringa sopra una piastra appositamente caricata negativamente. "Questo tira la soluzione attraverso l'ago del dispensatore verso la piastra di raccolta in una forma molto filamentosa, simile a quella di una tagliatella", spiega Beatrice Britton, autrice principale dello studio che ha creato la nanopasta. (1)

Quando la soluzione si è asciugata, i ricercatori si sono ritrovati con un intricato groviglio di spaghetti incredibilmente sottili. "Ad occhio nudo, afferma Britton, un potente microscopio rivela un tappetino composto da fili sottili di 0,1 mm. Questi spaghetti sono anche molto più rigidi degli spaghetti normali. Britton e i suoi colleghi sperano che la loro ricerca possa rappresentare un passo avanti verso alternative biodegradabili alle "nanofibre" di plastica, attualmente impiegate per filtrare liquidi e curare ferite.

UNA SCIENZA CAOTICA

Gli spaghetti più sottili del mondo sono solo un esempio recente di come i fisici non riescano a smettere di applicare i loro strumenti agli spaghetti. Ma che i fisici usino i loro "spaghetti" per studiare gli spaghetti non è una novità. Nel 1949, il fisico della Brown University George F. Carrier pose "il problema degli spaghetti" su The American Mathematical Monthly, ritenendolo "di notevole interesse popolare e accademico". In sostanza, il problema si riduceva a: "Perché non riesco aspirare con la bocca (cioè succhiare) un filo di spaghetti senza che il sugo mi colpisca in faccia?" (3) Elaborò allo scopo delle equazioni; e queste mostravano come il filo succhiato oscillasse sempre più selvaggiamente man mano che si accorciava, garantendo un inevitabile schiaffo-spaghetto contro il labbro del succhiatore – e la fatale eruzione di sugo sulla faccia, che Carrier tanto deplorava. Purtroppo, però, per quanto ci lavorasse, le sue formule matematiche non offrirono alcun modo per evitare la sbavata di sugo in faccia.  Ma la fisica non si arrende: successivamente, due scienziati invertirono lo studio pionieristico di Carrier, esplorando cosa accade quando un oggetto filamentoso viene sputato fuori da un'apertura invece di essere risucchiato. Hanno definito la loro versione "il problema inverso degli spaghetti", familiare a chiunque abbia dovuto sputare della pasta troppo calda, perché non aveva atteso che si raffreddasse.  (4). Ma anche su questo studio non pare ci siano stati risultati definitivi.

Come tutti sanno, il grande fisico americano di metà secolo Richard Feynman contribuì a svelare gli enigmi della meccanica quantistica, spiegando come le particelle elementari che compongono gli atomi interagiscano fra loro. Tuttavia, il suo immenso contributo alla immensa fisica degli spaghetti è meno noto. Una sera, Feynman si chiese perché fosse quasi impossibile spezzare uno spaghetto in due pezzi invece che in tre, spingendo con due dita di due mani alle estremità. Lui e un collega trascorsero il resto della serata a tentativi di spezzare spaghetti in due invece che in tre, fino a ricoprire il pavimento della cucina. Ma senza risultati matematici degni di nota. Infatti, la fisica degli spaghetti va oltre la pasta stessa. L'interrogativo di Feynman sulla fisica controintuitiva della spezzatura degli spaghetti secchi diede il via a un quarto di secolo di tentativi di spiegarla. Questo accadde finalmente nel 2005, quando due ricercatori francesi dimostrarono che gli spaghetti si rompono sempre in due pezzi – inizialmente. Ma dopo la frattura, quando i due pezzi piegati si raddrizzano di scatto, tutta la tensione accumulata viene liberata in un'onda d'urto, causando ulteriori spezzature. La soluzione del problema meritò l’IgNobel (5).

Nel 2018, poi, un team di scienziati del MIT scoprì come inibire l'onda d'urto: torcendo delicatamente il filo di spaghetti prima di spezzarlo. Il loro metodo, che richiedeva sofisticate attrezzature di laboratorio, costruite ad hoc, produceva in modo affidabile una coppia perfetta di frammenti. Il loro lavoro ha fornito una nuova e più profonda comprensione delle aste fragili che va oltre gli spaghetti; il fenomeno della fratturazione a tre vie è ben noto, ad esempio, ai saltatori con l'asta. (si intende qui anche fratturazione delle loro gambe). E questo dimostra la serietà della ricerca.

UNA MERAVIGLIA MECCANICA, STUDIATA A FONDO

Altro argomento scientifico intrigante, è quello relativo alle tecniche canoniche per cuocere gli spaghetti.

Molti americani, inglesi, tedeschi, non solo usano il cucchiaio per mangiare gli spaghetti; ma anche quando li cuociono fanno altri sacrilegi: spezzano a metà il fagottino di spaghetti secchi prima di metterlo nell'acqua bollente, in modo che entri orizzontalmente nella pentola. Immagino che anche Feynman facesse lo stesso. Ma per gli esperti di spaghetti di tutto il mondo questo metodo è considerato, appunto, un sacrilegio.

https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.101.013001

Se tu rientri in quest'ultimo gruppo di esperti, allora sicuramente metti il tuo fagottino di spaghetti secchi in posizione verticale nella pentola di acqua bollente, e lo osservi ammorbidirsi lentamente, piegarsi e immergersi; e entrare tutto nella pentola senza dover essere spezzato prima.

Qualcosa, infatti, nei primi minuti cambia irreversibilmente la composizione degli spaghetti. Nel 2020, due fisici spiegarono finalmente questa, definita trasmutazione, degli spaghetti. Essa è dovuta a una caratteristica chiamata "viscoelasticità", il termine che descrive il modo unico in cui materiali come gli spaghetti rispondono allo stress fisico.  (6)

La strana meccanica degli spaghetti cotti va ancora oltre. In uno studio, gli scienziati hanno lasciato cadere dei fili a terra e hanno misurato il modo in cui si arrotolavano, per apprendere di più su altri materiali elastici, dalla corda ai filamenti di DNA. In un altro esperimento, i fisici hanno annodato gli spaghetti e studiato quali tipi di sforzo li portassero alla rottura. (7)

Ma la fisica degli spaghetti va persino oltre la pasta stessa – anche il sugo è ricco di misteri scientifici. Quando otto fisici italiani si incontrarono mentre facevano ricerca all'estero in Germania, scoprirono di condividere una frustrazione per il classico piatto romano cacio e pepe, perchè il cacio si rassodava e si mozzarellava. “Questo era davvero un problema interessante - afferma Daniel Maria Busiello, coautrice di un approfondito studio sul cacio e pepe - così abbiamo deciso di progettare un apparato sperimentale per testare effettivamente tutte queste ipotesi”. L'apparato consisteva in una vasca d'acqua riscaldata a bassa temperatura, un termometro da cucina, una capsula di Petri (contenitore cilindrico, trasparente, con un coperchio poco profondo; utilizzata in biologia per lo studio di colture cellulari) e una fotocamera iPhone fissata a una scatola vuota.  Hanno scoperto che il "semplice" sugo era enormemente complesso. Chimicamente, si tratta di una soluzione a base d'acqua con pochi componenti: amido (proveniente dall'acqua della pasta), lipidi (dal formaggio) e due tipi di proteine (anch'esse dal formaggio). Utilizzando il loro apparato, hanno trovato la spiegazione fisica per i grumi che rovinano il sugo, che hanno appunto definito "fase mozzarella". Le proteine, a differenza della maggior parte delle molecole, diventano più appiccicose quando sono calde. Durante il riscaldamento del sugo, i ricercatori hanno osservato che ciò induce le proteine ad attaccarsi ai lipidi, formando grumi simili alla mozzarella. In un cacio e pepe ben riuscito, ciò che previene questo fenomeno è l'amido, che forma un rivestimento protettivo attorno alle molecole lipidiche, impedendo loro di legarsi alle proteine.  Una volta compresa la scienza dietro il sugo, è stato chiaro come risolvere il problema. "Se aggiungi una quantità sufficiente di amido, non ottieni questo tipo di stato separato", spiega Di Terlizzi. In genere, l'acqua della pasta non contiene abbastanza amido per raggiungere questa soglia, così suggeriscono di aggiungere una miscela di amido di mais sciolto in acqua.

Ma pensate forse che queste siano “teorie pizza e fichi”? No, la fisica impiegata per questi studi collega l'agglomerazione del cacio e pepe alle teorie sull'origine della vita sulla Terra. I biofisici usano la separazione di fase per comprendere come gocce di liquido possano congelarsi e dividersi all'interno di una soluzione. "Una goccia che si divide assomiglia molto a una proto-cellula", afferma Giacomo Bartolucci, un altro coautore dello studio sul cacio e pepe. All'interno dei piccoli aggregati che hanno preceduto le vere cellule, alcuni credono che i mattoni della vita possano essersi uniti attraverso un processo simile alla mozzarella.

Le stesse idee stanno aiutando i biologi a comprendere come le placche responsabili dell'Alzheimer si formino nel cervello.

Ma, seriamente, perché gli spaghetti sono un punto focale di speculazione e studio per i fisici?

Innanzitutto, perché sono semplici – farina, acqua e calore, come sottolinea Vishal Patil, uno degli scopritori del metodo twist-and-break, attualmente professore di matematica presso l'Università della California, San Diego. Il fatto che una combinazione di così pochi componenti sollevi domande così profonde dimostra quanto la fisica sia alla base di tutto ciò che vediamo e facciamo, afferma Patil.

(Per inciso, per il momento, nessun fisico teorico ha risolto il complesso problema dei due innamorati che succhiano da entrambe le estremità dello stesso filo di spaghetti. (2))

RIFERIMENTI

1. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/na/d4na00601a
2. Il problema dei "due innamorati che succhiano da entrambe le estremità dello stesso filo di spaghetti" è una metafora che evidenzia una situazione di forze opposte applicate simultaneamente su un oggetto flessibile, in questo caso uno spaghetto. Dal punto di vista della fisica teorica, modellare il comportamento di un filo sottile soggetto a forze in direzioni opposte non è banale: si tratta di un problema non lineare, in cui le interazioni tra tensione, elasticità e dissipazione energetica possono generare comportamenti altamente complessi e imprevedibili. Nella pratica, la maggior parte dei modelli teorici si concentra su scenari relativamente semplici, come il comportamento di un filo soggetto a una forza unidirezionale o a condizioni di equilibrio. Quando si introduce una situazione in cui due forze contrastanti agiscono contemporaneamente (nel caso specifico, due "innamorati" che succhiano da ciascuna estremità), le equazioni che descrivono il sistema diventano notevolmente più complicate. Le non linearità e le possibili instabilità dinamiche rendono difficile trovare soluzioni analitiche, tanto che, ad oggi, nessun fisico teorico ha realizzato un modello completo e risolutivo per questo scenario. In sintesi, il problema rappresenta una sfida teorica aperta e, con un pizzico di umorismo, mette in luce come anche sistemi apparentemente semplici, come un filo di spaghetti, possano celare fenomeni fisici estremamente complessi, capaci di mettere a dura prova la nostra capacità di effettuare modelli matematici.
3. https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00029890.1949.11990208
4. https://asmedigitalcollection.asme.org/appliedmechanics/article-abstract/54/1/147/422364/The-Reverse-Spaghetti-Problem-Drooping-Motion-of?redirectedFrom=fulltext
5. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.95.095505 IgNobel:  La cerimonia di premiazione è un evento annuale spettacolare, che si tiene all'Harvard University a Cambridge, Massachusetts.
6. https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.101.013001
7. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.154302