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48.1 Chimica e Ricerca - Acque più o meno agitate per l’AgarArt

48.1 Chimica e Ricerca - Acque più o meno agitate per l’AgarArt

31/08/18

I sorprendenti effetti di pulitura ottenibili tramite l’applicazione dei gel di agar, sia in forma fluida (a caldo), sia in forma triturata (a freddo, come Nevek), hanno suscitato curiosità e desiderio di comprendere anche a livello teorico i meccanismi di base. Oggi possiamo aggiungere alle centinaia di applicazioni pratiche condotte in tutto il mondo, due importanti risultati scientifici.
Il primo ci arriva dai laboratori della Soprintendenza di Aosta, diretta dal chimico Lorenzo Appolonia, che ha coordinato la ricerca della borsista Sylvie Cheney, avvalendosi della Calorimetria a Scansione (DSC) per determinare le energie di cristallizzazione relative al passaggio liquido/solido, del Microscopio Elettronico a Scansione (SEM) per osservare i canali costituenti la struttura stessa, ed infine  della Risonanza Magnetica Nucleare (NMR), per determinare la quantità di acqua libera e legata alla struttura del gel: quest’ultima informazione ci sembra particolarmente interessante, in quanto direttamente correlata all’effetto pulente, e questo emerge: nei gel di agar esistono due tipi di acqua. Abbiamo acqua fortemente legata alle catene del biopolimero, di fatto bloccata, e quella contenuta nelle cavità, dotata di mobilità, che può essere espulsa esercitando una semplice pressione sul gel (fenomeno detto sineresi); è proprio quest’ultima acqua la responsabile dell’effetto di pulitura, e di assorbimento dello sporco solubile all’interno dello spessore del gel. Intuitivamente, maggiore la quantità del polimero nel gel, maggiore la % di acqua legata, e minore la % di quella “libera”; quindi, in conclusione, anche minore l’effetto pulente, ma, grazie alla maggior compattezza del gel rigido, anche minor diffusione dell’acqua nel substrato.
Oggi, grazie allo studio di Sylvie Cheney e Lorenzo Appolonia, abbiamo un’indicazione dei rapporti da queste due “acque”. Dalla tabella possiamo vedere come esista un vero e proprio scalino tra le concentrazioni del 3 ed del 4%; per le % inferiori al 3 l’acqua strutturale è ben inferiore alla metà del totale, e questo valore non varia granchè anche scendendo all’1%.
Salendo al 4% si ha una improvvisa impennata, ed il valore raggiunge il 77%, addirittura l’83% con una concentrazione di AgarArt del 5%.
E’ chiaro che valori così elevati di acqua “bloccata” corrispondono anche ad una riduzione della cessione di acqua al substrato, e in parte anche dell’effetto pulente.  

% di AgarArt
            
% di acqua di struttura
       1                                      33,7
  
    2                                      38,9
  
    3                                      44,0
  
    4                                      77,0
  
    5                                      83,4
 

Altra importante osservazione è quella relativa alle “ricotture”: l’esperienza di chi lavora con i gel di agar è che riportare nuovamente i gel a fase liquida tramite un secondo (o addirittura terzo) riscaldamento, migliora le proprietà pulenti del gel stesso. Questa impressione è stata confermata dalle misure DSC: con il passaggio a due e a tre cotture è stata riscontrata una maggior mobilità dell’acqua “libera” all’interno del reticolo del gel. 
Analoghi risultati sono stati ottenuti da un gruppo di ricerca sorto tra le Università di Torino e Milano, il CNR-IVBC di Milano e il CNR di Roma [2], che ha effettuato sui gel di agar, oltre alle misure DSC e NMR, anche misure termogravimetriche (TGA), che permettono di determinare la quantità d’acqua nelle varie forme di associazione. Da questi ultimi risultati è possibile osservare addirittura 3 diversi tipi di acqua:
 Acqua legata non-congelabile che è fortemente associate con la struttura del polimero e non mostra alcuna transizione di fase solido-liquido. Da misure DSC questa è attorno al 7% se l’agar è all’1%, e sale al 20% con l’agar al 3 e 5%.
Acqua legata congelabile che è la frazione meno fortemente legata alla matrice polimerica e che mostra una temperature di fusione e di congelamento notevolmente diversi dall’acqua libera.
Acqua libera che si comporta come l’acqua non gelificata (simili temperature di fusione e di congelamento).

Dalle misure NMR risulta una quantità di acqua legata del 4-7%, notevolmente inferiore a quanto ottenuto tramite tecnica DSC, e quella libera sale quindi al 93-96%. Le curve TGA mostrano dei processi di complessi, legati proprio a questi diversi tipi di acqua, che si concludono con la completa disidratazione arrivando anche a 170°C in alcuni casi.
In generale si osserva che la struttura del gel rallenta:

1. il movimento delle molecole d’acqua rispetto a quelle di una soluzione (lo si determina tramite le velocità di rilassamento in NMR);

2. l’evaporazione dell’acqua: prima evapora quella libera, poi quella legata.

Sono stati analizzati 4 diversi tipi di agar reperibili in commercio, e AgarArt
risulta tra i vari tipi quello che rilascia l’acqua più lentamente, permettendo così un miglior controllo.
 
In conclusione aumentando la % di agar si rallenta l’acqua libera, perché aumentano le probabilità di urti con la struttura del gel, e questo corrisponde ad una minor bagnatura del materiale su cui viene applicato, associata ad un rallentamento dei processi di pulitura.     

Bibliografia
1.     
www.regione.vda.it/allegato.aspx?pk=33824

2.      Moira Bertasa, Tommaso Poli, Chiara Riedo, Valeria Di Tullio, Donatella Capitani, Noemi Proietti, Carmen Canevali, Antonio Sansonetti, Dominique Scalarone; “A study of non-bounded/bounded water and water mobility in different agar gels”, Microchemical Journal 139 (2018) 306–314.
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