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Il calcolo della quantità residua di carbonio 14 (14C) o radiocarbonio è da oltre trent’anni uno dei metodi più diffusi per stabilire l’età dei reperti archeologici di origine organica – quali legno, carta, ossa, tessuti – mediante gli spettrometri di massa. Tali apparecchiature, costose e imponenti, sono però disponibili solo nei più grandi e attrezzati laboratori di fisica nucleare. Un’alternativa vantaggiosa e soprattutto pratica giunge ora dalla strumentazione basata sulla luce laser infrarossa messa a punto dall’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Ino-Cnr) di Firenze.
Il radiocarbonio, come il normale carbonio, entra a far parte degli organismi viventi attraverso la respirazione e l’alimentazione, ma essendo radioattivo dopo un certo tempo sparisce, trasformandosi in azoto. Poiché con la morte se ne interrompe l’assunzione, da quel momento la sua quantità nell’organismo diminuisce progressivamente, rendendolo un eccellente ‘orologio’ per misurare l’età di reperti contenenti materiali di origine biologica.
“Nell’analisi con spettrometri di massa, ciascun atomo di carbonio deve essere ‘estratto’ dalla molecola di anidride carbonica che lo contiene e che viene prodotta con la combustione dei reperti. Poiché in natura solo una molecola ogni mille miliardi contiene radiocarbonio invece di carbonio ‘normale’, è però necessaria una grande sensibilità per misurarne la quantità” spiega Paolo De Natale, direttore dell’Ino-Cnr. “Con la nuova tecnica, invece, è possibile misurare direttamente il numero di molecole che contengono l’atomo di radiocarbonio. Il sistema proposto occupa inoltre uno spazio di quasi 100 volte inferiore ed è più economico di almeno 10 volte rispetto agli apparecchi finora utilizzati”.
“La nuova metodologia si basa su una tecnica spettroscopica ad altissima sensibilità, denominata Scar (saturated-absorption cavity ring-down) e pubblicata su Physical Review Letters dal nostro team un anno fa”, continua Davide Mazzotti, coautore dello studio. “Potrà consentire la rivelazione di molecole in concentrazione estremamente ridotta, con importanti ricadute in settori quali il monitoraggio dei cambiamenti climatici, il controllo dell’inquinamento ambientale, la ricerca medica, la rivelazione di sostanze tossiche o pericolose, ad esempio per la sicurezza di porti e aeroporti. O per raffinati test delle attuali teorie di fisica fondamentale”.
Per raggiungere una tale sensibilità, i ricercatori hanno utilizzato luce laser infrarossa, invisibile all’occhio umano ma assorbita con particolare facilità dalle molecole. L’esperimento è stato realizzato dal gruppo di ricerca Ino-Cnr presso lo European Laboratory for Nonlinear Spectroscopy (Lens) di Sesto Fiorentino.
“La radiazione infrarossa viene riflessa tra due specchi tra i quali è contenuto il gas da analizzare. In questo modo la luce attraversa migliaia di volte le stesse molecole di anidride carbonica da misurare, che equivale a moltiplicare per migliaia di volte la quantità di molecole disponibili e ad aumentare così la ‘sensibilità’ di misura”, conclude il primo autore, Iacopo Galli.
