Tesina sulla Luminescenza

Indice

1 Introduzione ..................................................................................................................................... 2

2 Luminescenza e letteratura .............................................................................................................. 3

3 La classificazione della luminescenza ............................................................................................... 4

4 La fluorescenza ................................................................................................................................ 5

4.1 La scoperta ................................................................................................................................... 5

4.2 Fluorescenza nella vita quotidiana: alcune applicazioni ............................................................... 6

5 Beo Beyond: i nuovi orizzonti dell’arte ................................................................................ 10

6 La chemiluminescenza .................................................................................................................... 12

6.1 Definizione .................................................................................................................................. 12

6.2 Alcune reazioni interessanti ....................................................................................................... 13

6.2.1 I glow stick .......................................................................................................................... 13

6.2.2 Il luminol ............................................................................................................................. 14

7 La bioluminescenza ........................................................................................................................ 17

7.1 I glow stick viventi ...................................................................................................................... 17

8 La Green Fluorescent Protein ......................................................................................................... 18

8.1 Dalla scoperta al premio Nobel .................................................................................................. 18

8.2 GFP, applicazioni della luminescenza in ambito biomedico ........................................................ 20

9 Conclusione .................................................................................................................................... 21

10 Bibliografia e sitografia ................................................................................................................... 22

1 Introduzione

L’interesse per la luminescenza è nato durante la scorsa estate osservando un braccialetto fluorescente tipo starlight. Durante l’anno scolastico 2012/2013 non solo ho appreso le nozioni di chimica e fisica che stanno alla base di questo curioso fenomeno, ma ho anche tentato di proporne la reazione. Quest’ultima esperienza ha avuto dei risvolti negativi a causa della pericolosità, dell’eccessivo costo e del difficile smaltimento dei reagenti necessari.

Ho quindi orientato il mio interesse verso altri tipi di reazioni luminescenti e ho scoperto che molte di queste vengono utilizzate nella vita quotidiana, dall’ambiente domestico alle aziende ospedaliere.

L’intento di questo scritto è dimostrare che la chimica si è preoccupata da sempre di dare delle risposte logiche e razionali ai fenomeni comuni della natura. Tutte le scoperte scientifiche vengono poi subordinate al progresso e al benessere collettivo. 2

2 Luminescenza e letteratura

Il fenomeno della luminescenza ha affascinato l’umanità sin dall’antichità. Aristotele osservava che certe creature producevano “fuoco” solo in certi periodi dell’anno in funzione del vento e che “il fuoco del

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mare” era prodotto da organismi viventi.

I primi studi sui processi luminescenti risalgono all’inizio del Seicento, all’epoca in cui gli alchimisti

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erano alla ricerca della cosiddetta “Pietra Filosofale”, in grado di trasformare i metalli vili in oro. Nel 1602 a Bologna, Vincenzo Casciarolo, un calzolaio ed alchimista dilettante, descrisse per primo un metodo per

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ottenere la cosiddetta “Pietra Bolognese”, che possedeva la proprietà “magica” di “accumulare luce” quando esposta al sole. Alla stessa epoca risalgono anche le osservazioni del filosofo inglese Francis Bacon; nel 1605 scriveva: “...la caratteristica di produrre luce non è prerogativa solo del fuoco... le gocce di acqua

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(di mare) spruzzate quando un remo colpisce l’acqua appaiono scintillanti e luminose...”. Alcuni anni dopo, nel 1637, il filosofo francese René Descartes osservava: “...quando viene agitata l’acqua produce scintille simili a quelle emesse da un frammento di pietra focaia”. Il fenomeno della bioluminescenza ha affascinato anche famosi scrittori, come Giulio Verne: “...Il mare appariva come illuminato da sotto la superficie dell’acqua, ma non era un semplice fenomeno di fosforescenza: su questo non ci si poteva sbagliare. Era il mostro che, immerso per qualche metro, proiettava quel chiarore intenso e inspiegabile di cui parlavano i rapporti di tanti comandanti di navi e che solo un organo di eccezionale potenza poteva emettere. La luminescenza disegnava sul mare un grande ovale al cui centro sembrava bruciare un falò che andava gradatamente attenuandosi verso le estremità. - Può essere un agglomerato di piccoli animali marini

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fosforescenti - osservò un ufficiale...”.

L’interesse per un fenomeno così intrigante e magico non sarebbe potuto mancare neanche tra i poeti Decadenti. Rimbaud ne Il battello ebbro scrive: “Ho sognato la verde notte dalle nevi abbagliate,/ bacio che sale lento agli occhi dei mari,/la circolazione di linfe inaudite,/e il giallo risveglio e blu dei fosfori cantori! [...]”.

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1 Aristotele osserva la bioluminescenza, una determinata proprietà di alcuni viventi di produrre luce sfruttando ATP. Per approfondimenti vedere capitolo 7.

2 La pietra filosofale (in latino lapis philosophorum o “pietra dei filosofi”), oggetto di studio da parte degli alchimisti, avrebbe dovuto trasmettere al possessore tre qualità: l’immortalità, l’onniscienza e la capacità di trasmutare i metalli vili in oro.

3 Metalli che vanno incontro a processi di ossidazione e corrosione in seguito a reazioni con l’acido cloridrico (HCl).

4 Vincenzo Casciarolo osserva una fosforescenza di tipo inorganico. La “pietra Bolognese” è costituita da barite (solfato di bario) che ha la proprietà di assorbire radiazioni ultraviolette ed emetterle nello spettro del visibile. Per approfondimenti vedere capitolo 4.

5 Cfr. Francis Bacon, The Advancement of Learning, 1905

6 Cfr. Giulio Verne, 20000 Leghe sotto i mari, 1870.

7 Cfr. Arthur Rimbaud, Le bateau ivre, 1871 3

3 La classificazione della luminescenza

La luminescenza è l’emissione di luce da una qualsiasi sostanza. Si verifica quando un elettrone passa dallo stato eccitato allo stato fondamentale a seguito di una somministrazione di energia per mezzo di radiazioni.

A seconda della qualità delle radiazioni la luminescenza si divide nelle seguenti tipologie:

Termoluminescenza se l’energia viene fornita dalla variazione di temperatura (ad esempio se si getta della polvere di gesso o della fluorina su una superficie calda); elettroluminescenza se la sostanza viene inserita in un intenso campo elettrico; triboluminescenza nel caso in cui specifici corpi quali lo zucchero, il gesso, la porcellana vengano sollecitati da azioni meccaniche, ad esempio lo sfregamento o lo

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sfaldamento; chemiluminescenza quando l’energia viene fornita per mezzo di una reazione chimica; bioluminescenza qualora la reazione fosse enzimatica; fotoluminescenza se durante l’emissione varia la lunghezza d’onda della radiazione; la fluorescenza e la fosforescenza ne costituiscono due sottocasi.

La fluorescenza avviene quando lo spin dell’elettrone eccitato non cambia durante la transizione; il fenomeno ha luogo subito dopo (10^-6 - 10^-9 sec) che la specie ha raggiunto lo stato eccitato. Per questa ragione l’occhio umano non può percepire una radiazione fluorescente una volta che la sorgente di radiazione è stata rimossa.

Se invece la transizione è accompagnata da una variazione di spin, l’emissione è detta fosforescenza ed avviene più lentamente (>10^-4 sec) perché l’elettrone attraversa stati di energia sempre più bassi. Per cui, anche se molte sostanze fosforescenti, inclusa la maggior parte delle molecole organiche, non possono essere percepite dall’occhio una volta che sia stata rimossa la sorgente UV, un Figura

Figura

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buon numero di minerali inorganici continuano ad emettere radiazioni fosforescenti abbastanza intense, anche dopo che l’eccitazione UV è cessata.

Alcune sostanze fluorescenti tipiche (fluorofori) sono mostrate nella Figura 1.

Essi si incontrano comunemente nella vita quotidiana: la rodamina è utilizzata come antigelo, l’antracene funge da rilevatore di inquinamento da idrocarburi, la piridina 1 è alla base della tintura laser, la fluoresceina è usata come marcatore di emergenza per localizzare le persone in mare ed il POPOP è una sostanza organica somministrata nel DNA in determinati esami.

8 Dal greco [tribe] = strofinare. Questo fenomeno fu scoperto accidentalmente alla fine del XVIII secolo: durante la raffinazione dello zucchero, mentre avveniva la frantumazione di grossi cristalli, vennero notate piccole scintille di “luce visibile”. Per altro il fenomeno era già stato scoperto in precedenza da Francis Bacon che nel saggio “The Advancement of Learning” scrisse di aver osservato un bagliore luminoso durante la frantumazione dello zucchero. La triboluminescenza non è ancora stata spiegata completamente: alcune teorie ipotizzano che durante la rottura di materiali asimmetrici avvenga una separazione di carica; quando le cariche si ricombinano la scarica elettrica ionizzerebbe l’aria causando il “lampo di luce”.

9 Un esempio viene fornito al capitolo 6. 4

4 La fluorescenza

4.1 La scoperta