Il canto delle… sirene forse?
Le sirene sono creature mitologiche con la parte superiore del corpo di donna e quella inferiore di uccello o, in epoca successiva, di pesce, il cui canto melodioso ammalia i naviganti.
Ma le molecole possono cantare? E forse ammaliare gli scienziati?
Ebbene sì, il canto delle molecole esiste e può ammaliare gli scienziati e anche gli studenti, avvicinandoli alla chimica e alla fisica, promuovendo le lauree cosiddette STEM, un acronimo che significa Science, Technology, Engineering, Mathematics, che sono tanto necessarie quanto scarse in Italia. Infatti, meno del 7% dei giovani italiani fra i 20 e i 29 anni consegue una laurea STEM, il 27% degli iscritti universitari, di cui meno del 40% sono donne.
Il suono della chimica
La chimica è una scienza pratica, visiva e quantitativa, radicata in simboli, equazioni e modelli molecolari. Eppure, oltre alle sue rappresentazioni tradizionali, esiste una dimensione sensoriale ricca e ancora poco esplorata: il suono.
Il “suono della chimica” può essere vissuto sia in modo letterale—attraverso i fenomeni uditivi prodotti dalle reazioni chimiche—sia in modo metaforico, tramite la sonificazione dei dati chimici. Questo approccio interdisciplinare collega la chimica con la musica, la scienza dei dati e la percezione uditiva, offrendo nuovi modi per analizzare, interpretare e comunicare fenomeni molecolari.
I rumori delle reazioni chimiche
I suoni in chimica sorgono durante le trasformazioni fisiche e chimiche: il sibilo di una reazione che rilascia gas, il brusco schiocco dell’accensione dell’idrogeno o il crepitio di una reazione di termite, una miscela incendiaria. Questi suoni riflettono i cambiamenti in tempo reale della materia e dell’energia, fornendo indicazioni intuitive sulla cinetica di reazione, la termodinamica o la sicurezza.
• Reazioni effervescenti – Come mescolare bicarbonato di sodio e aceto: frizzante e gorgogliante.
• Reazioni di combustione – Pensa all’idrogeno gassoso che si accende con un “pop!”
• Reazioni alla termite – Producono un suono ruggente e scoppiettante come i fuochi d’artificio.
• Elettrolisi – A volte provoca sibilo o scoppiettio se i gas si accendono.
• Sodio nell’acqua – Una violenta effervescenza seguita da un botto esplosivo.
Questi sono i suoni dei legami che si rompono e si formano, e dell’ energia che viene rilasciata.
La sonificazione
La sonificazione è una disciplina che trasforma le informazioni in suoni non verbali, talvolta in musica.
Ascoltare i dati attraverso suoni e rumori può essere un’esperienza sorprendente con diverse applicazioni, che vanno da interfacce innovative per persone non vedenti a problemi di analisi dei dati in molti settori scientifici.
La sonificazione dei dati chimici traduce proprietà come le vibrazioni molecolari, le forze di legame o gli spettri atomici in frequenze udibili.
Frequenze udibili e note musicali
La frequenza è una proprietà fisica, misurata in Hertz (Hz), che indica quante oscillazioni al secondo compie un’onda sonora. L’orecchio umano può percepire frequenze da circa 20 Hz a 20.000 Hz. Esempio: un suono a 440 Hz è una vibrazione che si ripete 440 volte al secondo. Una nota musicale è una rappresentazione convenzionale (culturale e musicale) di una specifica frequenza sonora. Ogni nota corrisponde a una o più frequenze precise secondo un sistema di intonazione. Ad esempio: la nota La4 (o “La centrale”) corrisponde a 440 Hz nella maggior parte degli strumenti occidentali. Tutte le note musicali sono frequenze udibili, ma non tutte le frequenze udibili corrispondono a note musicali codificate.
Il ritmo delle molecole
Le molecole si muovono, e si muovono a ritmo, con frequenze ben determinate che dipendono dalla loro forma, seguendo una coreografia ripetibile, se vengono stimolate con energia sotto forma radiazioni, in particolare di frequenze infrarosse.
La radiazione infrarossa spesso abbreviata in IR è la radiazione dello spettro elettromagnetico compresa tra le microonde e la luce visibile, che copre una banda di frequenze da circa 3∙1011 a 4∙1014 Hz , con le rispettive lunghezze d’onda da circa 1 mm a 700 nm (0,7 µm).
I movimenti delle molecole possono essere allungamenti (stretching), in cui gli atomi tenuti insieme da legami singoli, doppi o tripli si muovono avanti e indietro nella direzione del legame, proprio come oscillano due masse attaccate a una molla, o flessioni, (bending) in cui gli atomi vibrano in modo che gli angoli varino, ma le lunghezze dei legami no. Lo spettro di assorbimento di una molecola nell’infrarosso è il grafico dell’intensità di queste vibrazioni in funzione della frequenza, è caratteristico di ciascuna molecola e dipende dalla sua formula di struttura.
Ad esempio, la Molecola d’acqua (H₂O) ha tre principali modalità vibrazionali: un allungamento simmetrico o asimmetrico dei legami fra l’ossigeno e gli idrogeni, con lunghezze d’onda di 2660 nm e 2730 nm (corrispondente ad frequenze intorno a 1,11 .10 e14 circa) e una flessione, corrispondente ad una variazione dell’angolo fra i legami O-H a 6200 nm che corrisponde ad una frequenza di 4,84 .10e13 Hz. Ognuna di queste frequenze di vibrazione può essere ridotta di molti ordini di grandezza, cioè divisa per un fattore comune, pari a circa a 10e11, per essere trasformata in una frequenza dell’intervallo udibile (20 Hz – 20.000 Hz). L’allungamento simmetrico potrebbe essere portato a un tono di 500 Hz (vicino alla nota Si), quello asimmetrico a 700 Hz (vicino alla nota Fa) e la modalità di flessione a 400 Hz (vicino alla nota Sol) , che suonate insieme, formano un suono simile a un accordo SiFaSol, che rappresenta l’impronta vibratoria dell’acqua.
Altri modelli
Una varietà di fonti informative è stata sonificata, come l’arte visiva, l’architettura delle ragnatele, gli spettri infrarossi dei prodotti chimici, le sequenze di amminoacidi, l’inquinamento atmosferico, il fuoco e molti altri. La rappresentazione delle molecole con il programma SELFIES ha fornito un input valido per la sonificazione molecolare, sia per la codifica delle molecole in una melodia sia per la costruzione di nuove molecole da una performance su uno strumento musicale come il pianoforte. E’ possibile esplorare come la musica possa essere utilizzata come un mezzo creativo per generare nuove molecole, ma anche le molecole possono fornire ispirazione e sfogo creativo per la generazione di nuova musica. samples.cernaklab.com
La musica è un mezzo di archiviazione delle informazioni ad alta dimensione che massimizza sia l’interattività umana che quella computerizzata, l’interpretabilità e la creatività. Sebbene molti aspetti di una molecola siano facilmente visibili a un occhio esperto, un estratto sonoro potrebbe essere in grado di trasmettere più informazioni sulla molecola. La codifica delle molecole come musica è particolarmente intrigante poiché le molteplici dimensioni della musica possono consentire la codifica di molte proprietà molecolari. Se le molecole potessero essere codificate come musica, emergerebbero opportunità per la sostituzione sensoriale da visivo ad audio, ad esempio fornendo ai chimici non vedenti nuovi modi per interagire con le molecole.
La sonificazione delle Proteine
Le proteine sono molecole grandi e complesse composte da catene di aminoacidi, che sono unite da legami peptidici. Svolgono ruoli fondamentali nel corpo, essenziali per tutti gli organismi viventi e comprendono molti importanti composti biologici come enzimi, ormoni e anticorpi.
I ricercatori del MIT hanno sviluppato un sistema per convertire le strutture molecolari delle proteine in suoni udibili che assomigliano a passaggi musicali. Successivamente, invertendo il processo, possono introdurre alcune variazioni nella musica e convertirla nuovamente in nuove proteine mai viste prima in natura.
Le proteine hanno strutture tridimensionali che cambiano durante il loro ripiegamento. I ricercatori hanno trasformato le sequenze di amminoacidi e le dinamiche di ripiegamento in note musicali. Ogni amminoacido corrisponde a una nota musicale. Il processo di ripiegamento modifica il tempo, l’altezza e le dinamiche. Le proteine mal ripiegate (a causa di mutazioni o malattie, come nell’Alzheimer) suonano diverse da quelle normali. Queste rappresentazioni sonore possono aiutare i ricercatori a “sentire” le anomalie.
Valore pedagogico e comunicativo della sonificazione
La sonificazione offre percorsi di apprendimento alternativi per gli studenti ipovedenti, introduce i musicisti allo studio della chimica e rende i concetti astratti più concreti per il pubblico. Mostra come la musica potrebbe essere utilizzata per generare nuove molecole, oppure come le molecole possono fornire ispirazione per la creazione di nuova musica. L’integrazione della musica con le discipline STEM ha promosso maggiore cooperazione ed empatia tra gli studenti, offrendo un’esperienza di apprendimento scientifico coinvolgente e attiva.
Dove potrebbe arrivare la sonificazione ?
Potremmo aspettarci che la sonificazione diventi un metodo standard per la visualizzazione e l’analisi dei dati.
Tecniche di sonificazione consolidate e standardizzate saranno disponibili come lo sono oggi il mouse e la tastiera.
La sonificazione avrà il ruolo di migliorare l’apprezzamento e la comprensione dei dati, proprio come la migliore colonna sonora di un film, che intensifica l’emozione in un film senza essere notata.
*Biochimico, direttrice del dipartimento di medicina epidemiologia e igiene del lavoro ed ambientale dell’INAIL
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