Attenti ai batteri!

L'altro giorno, in piscina c'erano solo tanti bambini che si divertivano come matti. Quando erano usciti tutti fuori dell'acqua, uno di essi prese un bastone lì a portata di mano e cominciò a giocare facendolo scendere giù e su nell'acqua ed osservando le onde circolare che si generavano. A un certo punto, però, gli altri bambini vollero imitarlo e, dopo poco, lungo tutto il bordo della piscina tutti facevano la stessa cosa. Erano interessanti le onde che si formavano dalla sovrapposizione delle singole onde generate dai bastoni dei bambini: sembravano forme del tutto casuali ma, ad osservarle bene, si formavano dei motivi che si ripetevano periodicamente. Si erano generate delle speckle (in italiano, macchioline). Evidentemente, i bambini facevano vibrare i bastoncini tutti – più o meno – con la stessa frequenza, ma le ampiezze delle singole onde circolari erano diverse, e casuali. Poiché la frequenza era approssimativamente la stessa per ogni onda, le ampiezze delle onde risultanti erano le stesse ad ogni istante, ma variavano casualmente da punto a punto della superficie. Ecco perché i motivi si ripetevano periodicamente...

Mi vennero, allora, in mente le speckle che si creano molto più facilmente con un puntatore laser (di quelli con luce rossa o verde, che si trovano facilmente anche sulle bancarelle), quando la luce laser la dirigete sopra una parete qualsiasi. Anche qui, le speckle si formano dall'interferenza delle onde luminose diffuse dalle piccole asperità della parete, quando questa viene illuminata dal fascio laser: la frequenza della luce diffusa è uguale per tutte le componenti (ed è uguale alla frequenza della luce laser, corrispondente al colore rosso o verde), ma le ampiezze (e le fasi) sono tutte diverse, come diverse sono le piccole asperità della parete. Ora, l'ampiezza di un'onda (o, meglio, l'ampiezza al quadrato) è collegata direttamente all'energia trasportata dall'onda (pensate ad un'onda marina con minore o maggiore ampiezza, e a quali diversi danni potrebbe causare) ovvero, nel caso della luce, alla “brillantezza” dei diversi punti illuminati. Come sopra, allora, tale brillantezza è costante al passare del tempo, ma varia casualmente da punto a punto. Questo, dunque, il motivo dell'apparizione di quei puntini luminosi su uno sfondo scuro (invece di una superficie uniformemente illuminata): nei punti luminosi si ha interferenza costruttiva, mentre nei punti oscuri si ha interferenza distruttiva.

La cosa interessante è che tale fenomeno curioso, che a prima vista può sembrare un disturbo fastidioso (non si ha una illuminazione uniforme con luce laser, ma solo delle immagini granulari), può essere invece sfruttato in vari modi per ottenere informazioni sulle deformazioni della superficie che si illumina, e potete divertirvi a trovare sul web tante applicazioni tecnologiche di tale effetto, dall'olografia all'astronomia stellare.

Una cosa altrettanto interessante scoperta di recente, invece, è che il fenomeno delle speckle può essere utilizzato anche per caratterizzare dei mezzi microbiologici come batteri e parassiti. Infatti, la rugosità della loro superficie varia nel tempo (come, d'altra parte, per qualunque altro essere vivente), per cui se uno di questi sistemi biologici viene illuminato con luce laser, le speckle della luce diffusa variano anch'esse nel tempo, per cui la loro analisi può rivelare e seguire tale tipo di cambiamenti. Naturalmente, vi sono altri metodi per ottenere tali informazioni, come la termografia ad infrarossi, la microcalorimetria o altro, ma tutte queste tecniche richiedono delle attrezzature costose, mentre un fascio di luce laser è facile da generare ed analizzare.

Recentemente, alcuni ricercatori cubani hanno caratterizzato, con il metodo delle speckle, l'attività temporale di un particolare batterio, l'Escherichia coli, che si trova usualmente all'interno dell'intestino dei mammiferi (come pure l'uomo), ed è legato ad alcune malattie. L'esperimento portato avanti dai ricercatori è concettualmente molto semplice: in un campione biologico vengono introdotti alcuni ceppi di Escherichia coli, mentre un analogo campione viene lasciato immune. Entrambi i campioni vengono, allora illuminati con luce laser, e si registrano le speckle per 24 ore, ad intervalli regolari di tempo. I dati ottenuti riescono quindi a caratterizzare l'attività dei batteri (basta confrontare i due tipi di campione, come appare evidente nella figura), ottenendo quindi preziose informazioni biologiche.

Splash! Uno schizzo d'acqua da parte dei bambini nella piscina mi ha portato rapidamente alla realtà: più divertente giocare con le onde nell'acqua che con i batteri... O no?

S. Esposito, fisico