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Astronomia

Acqua pesante nel disco protoplanetario della stella V883 Ori

By ScientifiCult 15 Ottobre 2025

Scoperta acqua pesante (acqua doppiamente deuterata) nel disco protoplanetario della stella V883 Ori (nella costellazione di Orione): una svolta per comprendere l’origine dell’acqua nel Sistema solare

Un team internazionale di ricercatori, guidato dall’Università Statale di Milano, ha rilevato per la prima volta acqua doppiamente deuterata (D₂O, nota anche come “acqua pesante”) in un disco protoplanetario, il luogo in cui nascono i pianeti. Il team ha dimostrato che l’acqua presente in tale disco è più antica della sua stella V883 Ori (nella costellazione di Orione). Un indizio che potrebbe suggerire che anche l’acqua presente sulla Terra e nei corpi celesti del nostro Sistema solare abbia origini più antiche del Sole stesso. Lo studio è stato pubblicato su Nature Astronomy.

Milano, 15 ottobre 2025 – L’acqua è un elemento presente nell’Universo e fondamentale per la vita. Ma da dove provenga e quando si sia formata è ancora uno dei grandi misteri dell’astronomia.

Un passo importante verso la comprensione di questo enigma arriva da un nuovo studio condotto dall’Università Statale di Milano in collaborazione con i ricercatori di Purdue University, Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics, Universidad de Chile, University of Tokyo, RIKEN institute e National Radio Astronomy Observatory e pubblicato su Nature Astronomy.

Grazie alle osservazioni effettuate con il telescopio ALMA (Atacama Large Millimeter Array) in Cile, gli astronomi hanno rilevato acqua doppiamente deuterata (D₂O) nel disco protoplanetario (il luogo in cui si formano i pianeti) che circonda la giovane stella V883 Ori (nella costellazione di Orione).

“La presenza di acqua deuterata dimostra indiscutibilmente che l’acqua presente nel disco protoplanetario è più antica della stella centrale e che si è formata nelle primissime fasi della nascita della stella e dei suoi pianeti” spiega Margot Leemker, prima autrice dello studio e ricercatrice presso il Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Milano.

Prima di questa scoperta, infatti, gli scienziati ipotizzavano due possibili scenari sull’origine dell’acqua che si trova nelle comete e nei pianeti: l’ereditarietà o il reset chimico. Nel primo caso si riteneva che l’acqua provenisse direttamente dalla nube molecolare primordiale, cioè dalla fase iniziale della formazione di stelle e pianeti. Nel secondo, che la maggior parte dell’acqua originaria venisse distrutta durante il collasso della nube molecolare — a causa di riscaldamento, radiazioni e shock — per poi riformarsi nel disco protoplanetario, ma con una composizione chimica diversa (il processo di distruzione e ricombinazione è noto come reset chimico). La distinzione tra i due scenari si basa sull’analisi dei rapporti isotopologici dell’acqua.

Ora l’individuazione di acqua pesante già nel disco di formazione del pianeta attorno a V883 Ori, dimostra che la maggior parte della riserva d’acqua sopravvive al passaggio da nube molecolare al disco protoplanetario, avvalorando così lo scenario dell’ereditarietà. L’acqua pesante è una forma specifica di acqua in cui entrambi gli atomi di idrogeno sono sostituiti da deuterio, un isotopo dell’idrogeno. Questa molecola si forma solo in condizioni molto fredde e non si riforma facilmente se viene distrutta. È quindi un tracciante sensibile per capire se l’acqua è “antica” o “riformata”.

Misurando il rapporto isotopico D₂O/H₂O, gli scienziati hanno rilevato un rapporto pienamente coerente con il valore atteso per l’ereditarietà. Questo indica che l’acqua nel disco si è generata nella nube molecolare prima della nascita della stella e dei pianeti.

“Si tratta di un’importante svolta per comprendere anche l’origine dell’acqua nel nostro Sistema Solare e, in ultima analisi, sulla Terra” conclude Margot Leemker.

Riferimenti bibliografici:

Leemker, M., Tobin, J.J., Facchini, S. et al., Pristine ices in a planet-forming disk revealed by heavy water, Nat Astron (2025), DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-025-02663-y

Testo e immagini dall’Ufficio Stampa Direzione Comunicazione ed Eventi istituzionali Università Statale di Milano

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Chimica

L’energia solare nel mondo subacqueo con le celle solari a perovskite

By ScientifiCult 16 Luglio 2025

Sotto la superficie: l’energia solare nel mondo subacqueo con le celle solari a perovskite

Una ricerca pubblicata sulla rivista Energy & Environmental Materials ha dimostrato che le celle solari a perovskite possono funzionare in modo efficiente anche in ambiente acquatico, aprendo la strada a tecnologie energetiche innovative per l’uso subacqueo. Lo studio è frutto della collaborazione tra due Istituti di ricerca del CNR, l’Università degli studi di Roma Tor Vergata e la società BeDimensional SpA.

L’energia solare potrebbe presto trovare una nuova e sorprendente applicazione: il fondo del mare. Una ricerca pubblicata sulla rivista Energy & Environmental Materials ha, infatti, dimostrato che le celle solari a perovskite possono funzionare in modo efficiente anche in ambiente acquatico, aprendo la strada a tecnologie energetiche innovative per l’uso subacqueo.

Lo studio è frutto della collaborazione tra il Consiglio nazionale delle ricerche – coinvolto con l’Istituto di struttura della materia (CNR-ISM) e l’Istituto per i processi chimico-fisici (CNR-IPCF) – l’università di Roma Tor Vergata e la società BeDimensional SpA, leader nella produzione di materiali bidimensionali.

Sotto i 50 metri di profondità, solo la luce blu-verde riesce a penetrare efficacemente: le celle solari a perovskite, già note per la loro efficienza e versatilità, si sono dimostrate particolarmente adatte a sfruttare questa luce residua. I test condotti con una specifica perovskite di composizione FAPbBr₃, hanno mostrato prestazioni sorprendenti: immerse nei primi centimetri d’acqua, queste celle producono più energia rispetto a quando sono esposte all’aria.

“Merito delle caratteristiche ottiche dell’acqua e del suo effetto rinfrescante, che migliora l’efficienza del dispositivo”, spiega Jessica Barichello, ricercatrice del CNR-ISM che ha coordinato lo studio. “Un ulteriore test di durata ha verificato anche l’aspetto ambientale: grazie all’efficace incapsulamento, basato su un adesivo polimerico idrofobico sviluppato da BeDimensional, dopo 10 giorni di immersione in acqua salata, le celle solari hanno rilasciato quantità minime di piombo, ben al di sotto dei limiti imposti per l’acqua potabile”.

“Grazie alla collaborazione con il CNR-ISM e BeDimensional e alla tecnologia disponibile nel nostro laboratorio Chose, abbiamo validato l’intero processo per l’applicazione del materiale fotovoltaico in perovskite in ambienti subacquei dove vengono sfruttate efficacemente le sue proprietà. Una nuova sperimentazione per noi – commenta Fabio Matteocci, professore associato del dipartimento di Ingegneria elettronica dell’università di Roma Tor Vergata – dal momento che il nostro studio parte dallo sviluppo di nuovi dispositivi fotovoltaici semitrasparenti tramite processi industriali facilmente scalabili per applicazione su edifici”.

Oggi troviamo pannelli solari su tetti, serre, edifici, persino nello spazio, ma l’ambiente marino è ancora una frontiera poco esplorata.

“Questo lavoro pionieristico non solo mostra che le perovskiti possono operare anche in condizioni umide, ma apre nuove possibilità per l’utilizzo sostenibile dello spazio subacqueo, sempre più impiegato in attività come l’agricoltura marina, l’invecchiamento del vino e altre applicazioni innovative”, conclude Barichello.

Roma, 16 luglio 2025

Perovskite nella foto di Andrew Silver, USGS (https://library.usgs.gov/photo/#/item/51dc1900e4b0f81004b77ee6), in pubblico dominio

Riferimenti bibliografici:

Jessica Barichello, Peyman Amiri, Sebastiano Bellani, Cosimo Anichini, Marilena Isabella Zappia, Luca Gabatel, Paolo Mariani, Farshad Jafarzadeh, Francesco Bonaccorso, Francesca Brunetti, Matthias Auf der Maur, Giuseppe Calogero, Aldo Di Carlo, Fabio Matteocci, Beneath the Surface: Investigating Perovskite Solar Cells Under Water, Energy & Environmental Materials e70069, DOI: https://doi.org/10.1002/eem2.70069 – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.70069

Testo dagli Uffici Stampa dell’Università degli Studi di Roma Tor Vergata e del Consiglio Nazionale delle Ricerche

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Geologia

Pianura Padana: l’irrigazione intensiva contribuisce alla stabilità delle falde acquifere

By ScientifiCult 4 Giugno 2025

Pianura Padana: l’irrigazione intensiva contribuisce alla stabilità delle falde acquifere

Una collaborazione tra Consiglio nazionale delle ricerche, Università di Milano-Bicocca e Università di Berkeley ha inaspettatamente rivelato che aree soggette a irrigazione intensiva mostrano falde acquifere più stabili, anche in presenza di siccità estive ripetute. Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Water, ha preso in esame zone della Pianura Padana utilizzate a scopo agricolo, analizzando lo stato delle falde sulla base di dati satellitari

Milano, 4 giugno 2025 – L’irrigazione agricola intensiva può contribuire in modo significativo alla resilienza delle falde acquifere nella Pianura Padana, anche in presenza di siccità estive intensificate dai cambiamenti climatici: è quanto rivela uno studio frutto della collaborazione tra il Consiglio nazionale delle ricerche, l’Istituto di ricerca per la protezione idrogeologica (CNR-IRPI), l’Istituto di ricerca sulle acque (CNR-IRSA), l’Università di Milano-Bicocca e l’Università di Berkeley, pubblicato sulla rivista Nature Water.

Lo studio ha preso in esame dati satellitari acquisiti tra il 2002 e il 2022 nell’ambito della missione GRACE della NASA – oggi terminata, il cui scopo era migliorare la comprensione dei cambiamenti climatici attraverso la misurazione del movimento delle masse d’acqua a livello planetario -, e una rete di oltre 1.000 pozzi di monitoraggio.

Attraverso l’elaborazione di tali dati, il team di ricerca ha tracciato l’evoluzione delle risorse idriche sotterranee rivelando che – nonostante un generale calo dei livelli delle falde – le aree soggette ad irrigazione intensiva mostrano una maggiore stabilità grazie alla ricarica indotta dall’infiltrazione dell’acqua irrigua in eccesso. Questo perché l’irrigazione è generalmente sostenuta da acque superficiali, derivate da fiumi e laghi subalpini (es., Maggiore, Garda, ecc.), che a loro volta sono alimentati dalla fusione nivale.

Lo studio ha infatti dimostrato una correlazione positiva tra la quantità di acqua negli acquiferi di pianura e l’accumulo nivale sulle Alpi. Il risultato dimostra, pertanto, che l’irrigazione, pur essendo una pratica ad alto consumo, può favorire la ricarica delle falde attraverso la percolazione del surplus irriguo.

Il contributo degli Istituti CNR ha riguardato, in modo particolare, l’analisi idrologica dei dati regionali:

«La ricerca mette in luce l’importanza di comprendere il bilancio idrico in ambito agricolo, soprattutto in una fase in cui la copertura nevosa alpina diventa sempre meno prevedibile» commenta Christian Massari del CNR-IRPI.

Il contributo dell’Università di Milano-Bicocca ha invece riguardato la stima dei parametri idrogeologici e la costruzione del modello concettuale sul funzionamento del sistema di circolazione idrica:

«In questo quadro, l’elemento critico diventa una possibile siccità invernale, che non permetterebbe di alimentare adeguatamente i fiumi e i laghi e, a sua volta, di praticare un’irrigazione intensiva estiva, che ricarica le falde. Finché ci sarà un’adeguata copertura nivale in inverno, le falde saranno stabilizzate dall’irrigazione, anche in presenza di siccità estive.» chiarisce Marco Rotiroti dell’Università di Milano-Bicocca.

Il lavoro sottolinea l’urgenza di valutare la sostenibilità futura delle pratiche irrigue in un contesto di risorse idriche sempre più limitate, ma anche il potenziale ruolo positivo di alcune pratiche agricole sulla disponibilità idrica locale.

Riferimenti bibliografici:

Carlson, G., Massari, C., Rotiroti, M. et al., Intensive irrigation buffers groundwater declines in key European breadbasket, Nat Water (2025), DOI: https://doi.org/10.1038/s44221-025-00445-4

Via Argine Po, vicino Viadana, provincia di Mantova. Foto di Giorgio Galeotti, CC BY 4.0

Testo dall’Ufficio stampa Università di Milano-Bicocca.

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Astronomia

Kepler-10c, un pianeta composto da ghiaccio di acqua, svelato dai cieli delle Canarie

By ScientifiCult 29 Aprile 2025

KEPLER-10c: UN PIANETA DI ACQUA SVELATO DAI CIELI DELLE CANARIE

Un team guidato dall’INAF ha misurato con grande precisione la massa del pianeta Kepler-10c, definendolo come un possibile mondo in gran parte composto da ghiaccio di acqua. Lo studio, pubblicato oggi sulla rivista Astronomy & Astrophysics e realizzato grazie ai dati raccolti dallo spettrografo HARPS-N installato al Telescopio Nazionale Galileo, ha permesso anche di confermare la presenza di un altro pianeta nel sistema di Kepler-10, fornendo nuove informazioni per comprendere la formazione dei pianeti e le origini del nostro Sistema solare.

Rappresentazione artistica dell'esopianeta ghiacciato Kepler-10c, osservato dallo spettrografo HARPS-N installato al Telescopio Nazionale Galileo (TNG). Crediti: INAF — Rappresentazione artistica dell’esopianeta ghiacciato Kepler-10c, osservato dallo spettrografo HARPS-N installato al Telescopio Nazionale Galileo (TNG). Crediti: INAF

Un team internazionale guidato da ricercatori dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) ha determinato la massa e la densità del pianeta Kepler-10c con precisione e accuratezza senza precedenti. Grazie a circa 300 misure di velocità radiale raccolte con lo spettrografo High Accuracy Radial velocity Planet Searcher for the Northern hemisphere (HARPS-N) installato al Telescopio Nazionale Galileo (TNG) che scruta il cielo dalle Isole Canarie, è stato possibile stimarne la sua composizione – in gran parte di acqua allo stato solido ma forse anche liquido – e capire come si possa essere formato. Lo studio è stato pubblicato oggi sulla rivista Astronomy & Astrophysics.

Kepler-10 è un sistema esoplanetario storico: ospita Kepler-10b, la prima super-Terra rocciosa scoperta dalla missione spaziale Kepler della NASA con un periodo orbitale inferiore al giorno terrestre, e Kepler-10c, un pianeta con un periodo orbitale di 45 giorni, classificato come sub-Nettuno, ovvero un pianeta con raggio e massa inferiori a quelli di Nettuno. Per anni, la massa di Kepler-10c è stata oggetto di grande incertezza: stime discordanti avevano reso difficile capire di cosa fosse fatto.

I dati acquisiti con HARPS-N sono stati elaborati con un nuovo metodo che corregge per effetti strumentali e variazioni dell’attività magnetica della stella madre, anche se di bassa intensità, e sono stati analizzati indipendentemente da tre gruppi dentro il team, raggiungendo gli stessi risultati. Questo lavoro ha permesso di capire che probabilmente Kepler-10c è un water world, ovvero un pianeta con gran parte della sua massa in acqua allo stato solido (ghiaccio) e forse, in piccola percentuale, anche liquido. I ricercatori ritengono che il pianeta si sia formato oltre la cosiddetta linea di condensazione dell’acqua a circa due o tre unità astronomiche dalla sua stella, e che poi si sia progressivamente avvicinato fino alla sua attuale orbita.

Ma non è tutto: il team ha anche confermato l’esistenza di un terzo pianeta, non visibile nei transiti ma rivelato per una piccola anomalia che esso induce sull’orbita di Kepler-10c, riscontrabile nelle variazioni dei tempi di transito proprio del pianeta Kepler-10c, in modo analogo alla scoperta di Nettuno grazie alle anomalie osservate nell’orbita di Urano. Questo pianeta “fantasma” era stato ipotizzato in precedenza, ma solo ora è stato possibile determinarne in modo accurato il periodo orbitale di 151 giorni e la massa minima, grazie all’eccezionale qualità delle misure di velocità radiale HARPS-N.

“L’analisi delle velocità radiali e delle variazioni dei tempi di transito, dapprima singolarmente e poi in combinazione tra loro, ha dato dei risultati in ottimo accordo sui parametri del terzo pianeta; abbiamo così corretto precedenti stime inaccurate delle sue proprietà”, commenta Luca Borsato dell’INAF di Padova, secondo autore dell’articolo.

Aldo Bonomo dell’INAF di Torino, primo autore dell’articolo, aggiunge: “L’esistenza dei water world è stata prevista teoricamente dai modelli di formazione e migrazione planetarie, ma non ne abbiamo ancora una conferma certa. Tuttavia, una quindicina di pianeti attorno a stelle di tipo solare come Kepler-10c sembrano avere proprio la composizione prevista da questi modelli. La prova del nove dell’esistenza dei water world dovrebbe venire dallo studio delle loro atmosfere con il telescopio spaziale James Webb, perché ci aspettiamo che essi abbiano delle atmosfere particolarmente ricche di vapore acqueo”.

Lo studio del sistema Kepler-10 ci aiuta a capire come si formano i pianeti attorno alle loro stelle. Super-terre come Kepler-10b e sub-Nettuni come Kepler-10c, così comuni nella Galassia ma assenti nel nostro Sistema solare, rappresentano un tassello cruciale per comprendere la varietà dei mondi che orbitano attorno ad altre stelle. In particolare, studiare la composizione dei pianeti cosiddetti sub-nettuniani e capire se sono ricchi o poveri di ghiaccio, può fornire indicazioni non solo sulla loro origine, ma anche sulle prime fasi di formazione dei sistemi planetari e quindi del nostro stesso Sistema solare. Conoscere come e dove si formano questi pianeti e i loro moti di migrazione verso la loro stella, significa guardare indietro nel tempo per scoprire qualcosa in più sulle origini della Terra e forse anche della vita.

Riferimenti Bibliografici:

L’articolo “In-depth characterization of the Kepler-10 three-planet system with HARPS-N radial velocities and Kepler transit timing variations ”, di A. S. Bonomo, L. Borsato, V.M. Rajpaul, L. Zeng, M. Damasso, N.C. Hara, M. Cretignier, A. Leleu, N. Unger, X. Dumusque, F. Lienhard, A. Mortier, L. Naponiello, L. Malavolta, A. Sozzetti, D.W. Latham, K. Rice, R. Bongiolatti, L. Buchhave, A.C. Cameron, A.F. Fiorenzano, A. Ghedina, R.D. Haywood, G. Lacedelli, A. Massa, F. Pepe, E. Poretti e S. Udry è stato pubblicato online sulla rivista Astronomy & Astrophysics.

Testo e immagini dall’Ufficio Stampa dell’Istituto Nazionale di Astrofisica – INAF

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Astronomia

Prima evidenza sperimentale del ghiaccio VII plastico

By ScientifiCult 24 Febbraio 2025

Prima evidenza sperimentale del ghiaccio VII plastico, una nuova forma di ghiaccio dal comportamento dinamico

Uno studio internazionale, coordinato dalla Sapienza Università di Roma, ha dimostrato sperimentalmente l‘esistenza del ghiaccio VII plastico, la cui presenza è ipotizzata all’interno di alcune lune del sistema solare. La scoperta, pubblicata su “Nature”, apre nuove opportunità di ricerca per la comprensione dell’evoluzione strutturale dei pianeti ghiacciati.

Una fase cristallina dell’acqua che si forma a pressioni superiori a 50000 atmosfere e 300 °C: il ghiaccio VII plastico che si differenzia dalle altre forme di ghiaccio per la sua natura ibrida tra un solido e un liquido. Le molecole dell’acqua in questa fase sono disposte in un reticolo cubico denso, ma, a differenza delle altre forme di ghiaccio, sono libere di ruotare attorno alle loro posizioni d’equilibrio in modo simile a un liquido. Questo comportamento dinamico conferisce alla fase una natura plastica, la cui esistenza è stata ipotizzata da simulazioni di dinamica molecolare ma mai osservata sperimentalmente.

Il gruppo internazionale di ricerca, guidato da Livia Eleonora Bove del Dipartimento di Fisica della Sapienza, è riuscito a ottenere l’osservazione diretta dell’esistenza del ghiaccio VII plastico. Per dimostrare sperimentalmente il comportamento esotico di questa fase dell’acqua, il team di ricercatori ha utilizzato lo scattering quasi-elastico da neutroni (QENS), una tecnica che consente di misurare direttamente le proprietà rotazionali e la dinamica diffusiva in sistemi molecolari. I dati sperimentali hanno fornito fin da subito la prova dell’esistenza della fase plastica. Tuttavia, per comprendere in dettaglio il meccanismo con cui le molecole ruotano, sono stati necessari ulteriori esperimenti e il confronto con simulazioni di dinamica molecolare. A queste attività di ricerca hanno contribuito in particolare John Russo e Francesco Sciortino del Dipartimento di Fisica della Sapienza.

“Combinando dati sperimentali e simulazioni, abbiamo scoperto che le rotazioni nel ghiaccio plastico non sono completamente libere, ma piuttosto avvengono attraverso salti tra posizioni preferenziali – spiega Maria Rescigno della Sapienza, prima autrice del lavoro – Questo comportamento conferisce al ghiaccio VII plastico proprietà uniche, che lo distinguono dalle altre fasi solide dell’acqua e ne influenzano significativamente le proprietà fisiche”.

Lo studio, non solo fornisce nuove informazioni sulla natura dei legami idrogeno in condizioni estreme – fondamentali per comprendere meglio le proprietà dell’acqua e di molti altri sostanze chimiche – ma apre nuove strade per la comprensione della struttura dei corpi celesti ghiacciati e la loro evoluzione.

Un caso particolarmente interessante è quello delle due lune di Giove, Ganimede e Callisto, la cui differenziazione interna rimane una questione aperta nella planetologia. Una possibile spiegazione di tale fenomeno potrebbe dipendere dalla presenza di ghiaccio plastico in una sola delle due lune. Questa circostanza avrebbe influenzato diversamente la loro evoluzione strutturale.

La ricerca, frutto di una collaborazione internazionale che ha coinvolto ben 9 istituzioni, rappresenta un importante avanzamento nella comprensione del complesso diagramma delle fasi dell’acqua in condizioni estreme e potrebbe aprire nuove prospettive di ricerca nel campo della planetologia.

Diagramma di fase. Immagine realizzata da Maria Rescigno del Dipartimento di Fisica della Sapienza

Riferimenti bibliografici:

Rescigno, M., Toffano, A., Ranieri, U. et al. “Observation of Plastic Ice VII by Quasi-Elastic Neutron Scattering”, Nature (2025), DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-08750-4

Al momento in cui si scrive, l’articolo su Nature è ancora in fase di editing.

Testo e immagine dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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Medicina

Ridurre l’uso di risorse idriche e terra tramite diete sostenibili e salutari

By ScientifiCult 16 Gennaio 2025

Ridurre l’uso di risorse idriche e terra tramite diete sostenibili e salutari

Un modello innovativo suggerisce come riorganizzare i sistemi alimentari per proteggere l’ambiente e migliorare la salute umana: lo studio del Politecnico di Milano su Nature Sustainability.

Milano, 16 gennaio 2025 – È possibile alimentare il pianeta con diete salutari riducendo l’uso di terra e acqua? Uno studio condotto da ricercatori del Glob3science Lab del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del Politecnico di Milano e pubblicato su Nature Sustainability, propone un modello globale per ottimizzare l’uso delle risorse agricole e idriche, rendendo sostenibile l’adozione della dieta di riferimento EAT-Lancet.

La dieta EAT-Lancet è un modello alimentare basato su principi scientifici che mira a migliorare la salute umana e ridurre l’impatto ambientale della produzione alimentare. Essa prevede un equilibrio tra cibi di origine vegetale, come cereali integrali, frutta, verdura, legumi e frutta secca, e una quantità limitata di alimenti di origine animale. Tuttavia, fino ad oggi, non era chiaro come il sistema cibo dovesse essere riorganizzato affinché tale dieta potesse essere adottata su scala mondiale senza compromettere le risorse naturali.

Utilizzando un modello agro-idrologico integrato con analisi di ottimizzazione, i ricercatori hanno esplorato sei scenari dietetici specifici per paese. La redistribuzione delle colture e il miglioramento dei flussi commerciali potrebbero ridurre del 37-40% le aree coltivate globali e del 78% il consumo di acqua per irrigazione, consentendo al contempo di soddisfare gli obiettivi nutrizionali della dieta EAT-Lancet.

Il modello evidenzia che l’adozione globale di questa dieta richiederebbe un aumento del commercio alimentare internazionale, portando la quota di produzione destinata all’export dal 25% al 36%. Sul fronte economico, si stima un aumento del 4,5% dei costi alimentari, a fronte di significativi benefici ambientali e nutrizionali.

“Questo studio dimostra che è possibile garantire diete salutari e sostenibili per tutti, proteggendo le risorse fondamentali del pianeta” afferma la professoressa Maria Cristina Rulli, coordinatrice dello studio. “La nostra ricerca suggerisce che una redistribuzione intelligente delle colture e una migliore gestione dei flussi commerciali potrebbero migliorare l’efficienza dell’uso delle risorse agricole e idriche su scala globale. Tutto questo però, per essere messo in atto, ha bisogno sia di politiche adeguate che sostengano tale riorganizzazione del sistema cibo anche economicamente sia di accettazione e condivisione sociale, nonché di processi di co-creazione coi produttori locali per ciò che attiene la redistribuzione delle colture.”

Lo studio, disponibile su Nature Sustainability, offre una roadmap concreta per un futuro alimentare più equo e sostenibile.

L’8 novembre scorso, Maria Cristina Rulli del Glob3science Lab del Politecnico di Milano e Paolo D’Odorico dell’Università della California, Berkeley, sono stati insigniti del Prince Sultan Bin Abdulaziz International Prize for Water (PSIPW) presso le Nazioni Unite. Il prestigioso riconoscimento è stato assegnato per le loro analisi innovative sul legame acqua-energia-cibo, che offrono soluzioni concrete per una gestione sostenibile delle risorse idriche, rispondendo alle sfide globali di un mondo in continua evoluzione.

Rulli, M.C., Sardo, M., Ricciardi, L. et al. Meeting the EAT-Lancet ‘healthy’ diet target while protecting land and water resources, Nat Sustain (2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s41893-024-01457-w

Ridurre l’uso di risorse idriche e terra tramite diete sostenibili e salutari: uno studio pubblicato su Nature Sustainability. Politecnico di Milano in Piazza Leonardo da Vinci. Foto di Mænsard vokser, CC BY-SA 4.0

Testo e immagini dall’Ufficio Relazioni Media del Politecnico di Milano

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Biologia

Le aree importanti per la biodiversità contribuiscono al benessere dell’umanità

By ScientifiCult 14 Luglio 2023

Le aree importanti per la biodiversità, dove gli NCP aumentano maggiormente, contribuiscono al benessere dell’umanità
Una nuova ricerca, che coinvolge il Dipartimento di Biologia e biotecnologie Charles Darwin della Sapienza, rivela il contributo sostanziale della biodiversità nella regolazione del clima, della qualità dell’aria, e della quantità di acqua. Lo studio pubblicato sulla rivista Nature Sustainability apre nuove prospettive per delineare politiche di conservazione efficaci.

Le crescenti pressioni umane sull’ambiente e l’utilizzo intensivo delle risorse stanno determinando una perdita globale di biodiversità e la conseguente alterazione degli ecosistemi naturali. Questi processi inducono anche il declino dei cosiddetti “contributi della natura alle persone” (NCP o servizi ecosistemici), cioè tutti quei contributi della natura – sia positivi che negativi – alla qualità della vita degli esseri umani.

Negli ultimi 50 anni è stato osservato che la perdita di biodiversità e la tendenza al declino di diversi NCP, come la regolazione del clima e l’impollinazione (definiti regolatori) o le esperienze culturali e psicologiche (NCP non materiali) stanno progredendo in parallelo. È diventato quindi cruciale comprendere la relazione spaziale tra la biodiversità e questi servizi ecosistemici per garantire i sistemi di supporto vitale della Terra.

Un nuovo studio del Dipartimento di Biologia e biotecnologie Charles Darwin della Sapienza, realizzato in collaborazione con l’Università di Stanford, stima l’importanza delle regioni ad alta biodiversità nel mantenere l’erogazione di alcuni NCP, considerando quattro diversi scenari di cambiamento climatico e di sviluppo socio-economico. La ricerca pubblicata sulla rivista Nature Sustainability si concentra in particolare su tre NCP regolatori fondamentali e ad oggi in declino, ovvero la regolazione della qualità dell’aria, del clima e della quantità di acqua dolce.

“Il nostro lavoro – spiega Marta Cimatti del laboratorio di ricerca Biodiversity and Global Change della Sapienza, prima autrice dello studio – ha permesso di misurare il valore attuale e futuro degli NCP utilizzando una serie di indicatori ambientali derivati da modelli climatici d’avanguardia, e di valutare se il rischio derivante dal cambiamento ambientale è maggiore o minore nelle regioni ad alta biodiversità rispetto alle regioni di controllo”.

Dai risultati della ricerca emerge che sono presenti livelli più elevati di NCP nelle regioni ad alta biodiversità per tutti gli indicatori, sia nel presente che nei diversi scenari futuri, evidenziando la congruenza spaziale tra la biodiversità e gli NCP. Inoltre, gli indicatori della qualità dell’aria e della regolazione del clima mostrano livelli in rapido aumento nelle regioni importanti per la biodiversità, specialmente negli scenari che prevedono alte emissioni, mentre gli indicatori della regolazione della quantità di acqua sono leggermente in calo.

“Aver dimostrato che gli NCP aumentano maggiormente nelle aree importanti per la biodiversità – continua Marta Cimatti – è fondamentale per definire le politiche di conservazione, e consente di individuare possibili sinergie tra il raggiungimento degli obiettivi prefissati nell’ambito di diverse convenzioni internazionali e diversi obiettivi di sviluppo sostenibile. Infatti, la conservazione di queste aree proteggerebbe la vita sulla Terra attraverso la conservazione della biodiversità, ma garantirebbe anche la salute e il benessere degli esseri umani, la fornitura di acqua pulita e servizi igienico-sanitari e la mitigazione del clima”.

“I temi dello sviluppo sostenibile e della conservazione della biodiversità sono diventati ormai prioritari, ma non sempre è chiaro a tutti il legame stretto tra questi obiettivi globali – conclude Moreno Di Marco, a capo del laboratorio Biodiversity and Global Change e autore senior dello studio. Questo lavoro dimostra come la conservazione della biodiversità sia fondamentale per il mantenimento dei contributi della natura alle persone e conseguentemente per il raggiungimento degli obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell’Agenda 2030.”

Rio delle Amazzoni biodiversità aree importanti benessere — Le aree importanti per la biodiversità, dove gli NCP aumentano maggiormente, contribuiscono al benessere dell’umanità. Foto di Turiano L P Neto

Riferimenti:
The role of high-biodiversity regions in preserving Nature’s contributions to People – Marta Cimatti, Rebecca Chaplin-Kramer, Moreno Di Marco – Nature Sustainability (2023) https://doi.org/10.1038/s41893-023-01179-5

Testo e foto dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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Biologia

Clima di fine secolo e agricoltura “eroica”

By ScientifiCult 17 Febbraio 2022

CLIMA DI FINE SECOLO E AGRICOLTURA “EROICA”

Studio dell’Università di Padova dimostra che tra tre generazioni il cambiamento climatico provocherà un’espansione di zone a clima arido con condizioni di scarsità idrica.

Penalizzati saranno i paesaggi agricoli in forte pendenza, luoghi di agricoltura eroica e di grande valore storico culturale.

Clima di fine secolo e agricoltura “eroica”: coltivazione di arancio su terrazzamenti in aree ad alta pendenza a Valencia (Spagna)

Pubblicata su «Nature Food» la ricerca dal titolo “Future climate-zone shifts are threatening steep-slope agriculture”, coordinata dal Professor Paolo Tarolli del Dipartimento di Territorio e Sistemi Agro-Forestali dell’Università di Padova, in cui si mostra quale sarà l’impatto del cambiamento climatico sulle aree agricole a forte pendenza alla fine del secolo. Lo studio è basato sulla proiezione delle zone climatiche attuali (1980-2016) a fine secolo (2071-2100) secondo lo scenario di concentrazione di gas serra RCP8.5, ovvero senza l’adozione di iniziative a favore della protezione del clima e, pertanto, con crescita delle emissioni ai ritmi attuali. Sono stati utilizzati dati satellitari e territoriali open-access, analizzati tramite la piattaforma online Google Earth Engine, in modo che la metodologia possa essere replicata non solo da scienziati, ma anche da operatori del settore agricolo ed enti per la gestione del territorio.

clima agricoltura eroica — Paolo Tarolli

«In questo lavoro abbiamo prodotto una mappa globale ad alta risoluzione dei paesaggi agricoli collinari e di montagna, analizzando la loro distribuzione nelle zone climatiche attuali (tropicale, arido, temperato, freddo, polare) e nelle proiezioni climatiche future – spiega il Professor Paolo Tarolli –. La nostra analisi dimostra che le aree agricole in forte pendenza sono significativamente più minacciate dal cambiamento climatico rispetto alla media della superficie agricola globale, in particolare vi sarà un’espansione di zone a clima arido, quindi di condizioni di scarsità idrica».

I sistemi agricoli in aree a forte pendenza, sebbene rappresentino una frazione ridotta della superficie agricola globale, sono di grande rilevanza per diversi aspetti. La loro importanza agronomica, così come il valore storico e culturale che li contraddistingue, sono ampiamente riconosciuti dalle Nazioni Unite e protetti con iniziative come i siti patrimonio dell’umanità UNESCO e patrimonio agricolo globale GIAHS (FAO). Le coltivazioni in pendenza sono soprattutto concentrate in Messico, Italia, Etiopia e Cina: si tratta di colture di altissima “specializzazione”. Tra gli esempi si possono citare le aree terrazzate Honghe Hani nella provincia cinese dello Yunnan, gestite dalle minoranze Hani da oltre 1300 anni, le quali producono 48 varietà di riso, dando vita ad un habitat ideale anche per l’allevamento di bovini, anatre e pesci, in un’ottica di economia circolare, oppure, in Italia, la viticoltura eroica sulle colline del Prosecco e del Soave.

Sul totale, l’agricoltura in forte pendenza si trova principalmente in zone climatiche temperate (46%) e fredde (28%): insieme, esse ospitano quasi tre quarti di questi paesaggi. Le coltivazioni in aree in pendenza delle regioni tropicali sono pari al 17%, nelle aride al 9% e in quelle polari arrivano all’1%, coprendo insieme il restante quarto del totale. Il cambiamento climatico rappresenterà una seria minaccia per tutta l’agricoltura e i sistemi rurali, con un impatto su raccolti e prezzi alimentari. In particolare, esso provocherà una variazione nell’estensione delle aree climatiche globali, con ripercussioni significative sui versanti agricoli in forte pendenza.

«Tra ottant’anni, secondo le proiezioni del nostro studio, la percentuale dei terreni agricoli di collina e montagna delle zone tropicali saliranno al 27% e quelle aride al 16%: sostanzialmente raddoppieranno rispetto alla situazione attuale. All’opposto, nelle regioni fredde si osserverà una riduzione di terreni agricoli di collina e montagna dall’attuale 28% al 13%, mentre in quelle temperate si passerà dal 46% al 44% – sottolinea Paolo Tarolli –. In sole tre generazioni quindi aree agricole più estese saranno interessate da un clima più caldo che comporterà un calo della disponibilità di acqua per l’irrigazione e la produzione alimentare. La nostra ricerca dimostra che le aree agricole in forte pendenza, spesso caratterizzate da un’alta specializzazione nella gestione dell’acqua derivante da antichi saperi tradizionali, saranno quelle maggiormente minacciate dal cambiamento climatico, soprattutto dalla siccità. Data l’urgente necessità di garantire una produzione alimentare sostenibile e per tutti riteniamo che i governi e le istituzioni debbano investire di più nell’identificazione e mitigazione degli effetti del cambiamento climatico in agricoltura. In particolare il nostro studio – conclude Tarolli – evidenzia la necessità di azioni atte a migliorare, specie per i paesaggi agricoli collinari e montani, la resilienza al cambiamento climatico previsto nei prossimi decenni, al fine di preservare il loro ruolo nella produzione alimentare, reddito, valore storico e culturale, e servizi ecosistemici».

Link alla ricerca: 10.1038/s43016-021-00454-y oppure https://rdcu.be/cGZ1M

Titolo: “Future climate-zone shifts are threatening steep-slope agriculture” – «Nature Food» 2022

Autori: Wendi Wang, Anton Pijl & Paolo Tarolli*

Testo e foto dall’Ufficio Stampa Università degli Studi di Padova. sullo studio relativo a clima di fine secolo e agricoltura “eroica”.

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Chimica

Idrogeno verde: una via razionale per catalizzatori di nuova generazione

By ScientifiCult 14 Ottobre 2021

IDROGENO VERDE

Ecco i singoli atomi al lavoro durante la sua produzione elettrochimica

Individuata una via razionale per il design di catalizzatori di nuova generazione

Idrogeno verde. A sinistra schema della metodica usata A destra immagine con risoluzione atomica del sistema Fe-Grafene

Lo scenario attualmente più accreditato per uno sviluppo basato su fonti energetiche rinnovabili è quello che viene indicato sotto il nome di hydrogen economy. Perché tale ambizioso obiettivo possa essere raggiunto, la soluzione passa attraverso una produzione sostenibile di idrogeno a partire dall’acqua attraverso un processo elettrochimico a basso costo. Questo idrogeno viene usualmente chiamato idrogeno verde per il basso impatto ambientale e per la virtualmente infinita disponibilità della materia prima qualora si riuscisse ad impiegare l’acqua degli oceani.

Tutto ciò necessita però di un’ottimizzazione dei catalizzatori indispensabili a rendere il processo elettrochimico economico ed efficiente. Attualmente i ricercatori del campo stanno studiando un percorso razionale che permetta l’ottimizzazione dei materiali catalitici atti a raggiungere tale obiettivo.

Il Surface Science and Catalysis Group (SSCG) del Dipartimento di Scienze Chimiche (DiSC) dell’Università di Padova diretto dal prof. Gaetano Granozzi, in collaborazione con il gruppo teorico dell’Università di Milano Bicocca diretto dalla prof.ssa Cristiana Di Valentin, ha raggiunto uno straordinario risultato che sarà di forte impatto per gli sviluppi futuri nel campo della produzione di idrogeno.

Con il titolo “Operando visualization of the hydrogen evolution reaction with atomic scale precision at different metal-graphene interfaces” è stata pubblicata sulla rivista «Nature Catalysis» la ricerca coordinata da Stefano Agnoli del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova in cui, attraverso una strumentazione estremamente sofisticata (Electrochemical Scanning Tunneling Microscopy, EC-STM) sviluppata a Padova in collaborazione con il gruppo di elettrochimica dello stesso Dipartimento, sono stati visti con risoluzione atomica i singoli siti catalitici durante il processo elettrochimico di produzione dell’idrogeno (tale metodologia è usualmente indicata con il termine in operando). Il metodo EC-STM è stato applicato a sistemi catalitici innovativi basati su materiali bidimensionali a base di grafene e metalli non nobili, che rappresentano una strada alternativa ai materiali standard usati attualmente per la decomposizione elettrochimica dell’acqua richiedenti l’uso di metalli nobili di alto costo e scarsa reperibilità. La qualità dei dati ottenuti è senza precedenti ed è stata interpretata attraverso metodi di simulazione quantomeccanica all’avanguardia sviluppati all’Università di Milano Bicocca.

«Il presente studio ha reso possibile identificare con precisione atomica la presenza di siti catalitici e valutare direttamente in situ la loro capacità di produrre idrogeno. Questa combinazione davvero unica di risoluzione spaziale e quantificazione dell’attività elettrocatalitica – dice Stefano Agnoli coordinatore dello studio – consente di stabilire in modo estremamente accurato le relazioni che legano la struttura della materia alla reattività chimica e quindi fornisce le informazioni necessarie per costruire atomo dopo atomo catalizzatori ad altissima efficienza».

Gaetano Granozzi

«L’ottenimento di questi risultati – sottolinea Gaetano Granozzi – è stato reso possibile dalla lunga esperienza maturata dal SSCG dell’Università di Padova operante nel campo sin dal tempo della sua fondazione avvenuta nel 1990».

Cristiana Di Valentin

«Le metodologie e le risorse computazionali attualmente disponibili – sostiene Cristiana Di Valentin – rendono possibile la simulazione di sistemi molto vicini al campione reale sperimentale con straordinario beneficio per l’interpretazione delle osservazioni in termini di proprietà atomiche della materia e meccanismi di reazione».

Link alla ricerca: https://doi.org/ 10.1038/s41929-021-00682-2

Titolo: “Operando visualization of the hydrogen evolution reaction with atomic scale precision at different metal-graphene interfaces” – «Nature Catalysis» – 2021

Autori: Tomasz Kosmala,^1,2 Anu Baby,³ Marco Lunardon,¹Daniele Perilli,³ Hongsheng Liu,³ Christian Durante,¹ Cristiana Di Valentin,³ Stefano Agnoli^*1 and Gaetano Granozzi¹

¹ Dipartimento di Scienze Chimiche and INSTM Research Unit, Università degli Studi di Padova,

² Institute of Experimental Physics, University of Wrocław, pl. M. Borna 9, 50-204 Wrocław, Poland

³ Dipartimento di Scienza Dei Materiali, Università degli Studi di Milano-Bicocca, Milano, Italy

Testo e foto dagli Uffici Stampa Università degli Studi di Padova e Università degli Studi di Milano-Bicocca

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Chimica

Dimostrata l’esistenza di due diverse forme di acqua

By ScientifiCult 17 Luglio 2020

Le forme dell’acqua

Un nuovo studio numerico, risultato di una collaborazione tra la Sapienza Università di Roma e la Princeton University, ha dimostrato per la prima volta l’esistenza di due diverse forme di acqua, ovvero di due distinte fasi liquide che a bassissime temperature si separano, galleggiando l’una sull’altra. Il lavoro, pubblicato sulla rivista Science, apre nuove strade alla comprensione dei misteri legati al liquido della vita

forme acqua — In questa serie di immagini, la molecola centrale (rossa) è legata attraverso legami idrogeno con le molecole vicine. In verde sono indicate le molecole che accettano il protone dalla molecola centrale, in giallo le molecole che donano il protone alla molecola centrale. In viola, molecole non direttamente legate alla molecola centrale.
L’ immagine di sinistra rappresenta una molecola con intorno una struttura tetraedrica, con quattro legami idrogeno (due verdi, due gialli). Al centro il caso di una molecola con cinque legami idrogeno (due verdi, tre gialli) e a destra il caso di una molecola centrale che forma solo tre legami idrogeno (due verdi ed un giallo). Il liquido a bassa densità è tutto formato da molecole tetraedriche. Il liquido ad alta densità include anche molecole con tre e cinque legami.

Ogni liquido assume la forma del contenitore che lo accoglie. Sappiamo che è così perché riusciamo a osservarlo direttamente con i nostri occhi. Eppure questa affermazione vale solo a livello macroscopico. A livello molecolare infatti ogni liquido ha una forma propria determinata dalla posizione spaziale in cui si dispongono le molecole che lo compongono.

L’acqua, il liquido della vita, potrebbe invece essere differente e avere, non una, ma bensì due forme molecolari diverse: una forma in cui localmente ogni molecola è circondata da quattro altre molecole disposte con una geometria tetraedrica (ordinata) e con le quali forma dei legami particolarmente intensi (i legami idrogeno), e una in cui la struttura tetraedrica invece è significativamente distorta, ovvero una configurazione più disordinata, in cui alcune molecole formano solo tre o cinque legami idrogeno.

La competizione tra queste due strutture spiegherebbe le anomalie dell’elemento più prezioso e abbondante della Terra: l’acqua infatti ha un comportamento che differisce da quello di tutti gli altri liquidi esistenti in natura. Per esempio come solido ha una densità inferiore che come liquido (si spiega così il galleggiamento del ghiaccio), ha un calore specifico molto alto (è in assoluto il liquido che impiega più tempo per riscaldarsi), ha una tensione superficiale elevata (le gocce d’acqua rimangono integre su molte superfici, come sulle foglie delle piante, e non si espandono come gli altri liquidi).

Nonostante i molteplici lavori, teorici e sperimentali condotti negli ultimi venti anni, non sono state prodotte prove definitive del ruolo giocato da queste due strutture all’interno dell’acqua.

Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Science fornisce una prova inequivocabile, basata sui più accurati modelli oggi disponibili, che l’unicità dell’acqua dipenda proprio dalla non univocità della sua forma. Il lavoro, frutto della collaborazione scientifica fra Francesco Sciortino del Dipartimento di Fisica della Sapienza di Roma e il team di Pablo Debenedetti della Princeton University (USA), ha dimostrato per la prima volta che a temperature bassissime la “competizione” tra le due strutture genera due fasi liquide ben distinte, con diversa densità e che il passaggio tra le due “acque” costituisce una vera e propria transizione di fase, esattamente come avviene, ad esempio, da una fase solida a una gassosa.

In particolare, i ricercatori hanno visto che al di sotto della temperatura di circa 180 gradi Kelvin, l’equivalente di -90 gradi Celsius, dove l’acqua è metastabile rispetto al ghiaccio, la densità del liquido comincia a oscillare fra due valori: liquido a bassa densità e liquido ad alta densità.

“Come il ghiaccio che galleggia sull’acqua – spiega Francesco Sciortino – sotto i 180 gradi Kelvin, l’acqua di bassa densità galleggia sopra l’acqua di alta densità. Abbiamo dimostrato, con modelli alquanto accurati, un punto critico per la transizione liquido-liquido: la prova teorica che serviva per convincere la comunità scientifica che è possibile avere un sistema puro (una sola componente) con più di una fase liquida”.

Per raggiungere questi risultati sono state necessarie simulazioni estremamente lunghe di sistemi particolarmente grandi, un vero tour-de-force numerico che ha richiesto una enorme quantità di risorse di calcolo, sia a Roma che a Princeton. Gli autori infatti hanno risolto le equazioni del moto che descrivono l’evoluzione del liquido per ben 100 miliardi di volte di seguito coprendo così un intervallo temporale di circa 100 microsecondi, per osservare la transizione tra i due liquidi che avviene sulla scala di decine di microsecondi, prima che l’acqua cristallizzi.

“Grazie a questo lavoro – conclude Sciortino – disponiamo di un modello e di dati numerici accurati che ci consentiranno in futuro di osservare la struttura molecolare su scala subnanometrica, per dimostrare sperimentalmente questa transizione di fase e per scartare scenari termodinamici rivelatisi inadeguati a coglierne l’esistenza”.

Riferimenti:

Second critical point in two realistic models of water – Pablo G. Debenedetti, Francesco Sciortino, Gül H. Zerze – Science 17 Jul 2020 DOI: 10.1126/science.abb9796

Testo, video e immagine sulle forme dell’acqua dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma.

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