Grande Microcosmo con vista - fis.unipr.it · Grande Microcosmo con vista Progetto e piano di fattibilita’ Grande Lara Albanese

Grande Microcosmo con vista

Progetto e piano di fattibilita’

Grande

Lara Albanese Luca Trentadue

Breve Introduzione alla mostra interattiva permanente dell’Universita’ di Parma “Microcosmo con vista”

La mostra Microcosmo con vista è stata inaugurata nel giugno del 2004 . La realizzazione di que-sta mostra e’ stata possibile grazie ai finanziamnti dell’Universita’ degli Studi di Parma, dell’Istitu-to Nazionale di Fisica Nucleare e alle donazioni di strumenti dell’INFN e del Centro Europero di Ricerche Nucleari (CERN) di Ginevra.Da allora la mostra ha organizzato eventi speciali in occasione della settimana della cultura scienti-fica e tecnologica. Ha svolto e continua a svolgere regolare attività rivolta, principalmente, alle scuole e in modo particolare alle scuole medie superiori. “Microcosmo con vista” e’ entrata a far parte del progetto Lauree Scientifiche del Ministero della Universita’ nel 2005.Recentemente Microcosmo è diventata patner dell’accordo di rete fra istituzioni scolastiche ed enti per l’attuazione del piano I.S.S. Insegnare scienze sperimentali , che si pone i seguenti obiet-tivi:

a) costituire un presidio territoriale e un gruppo di ricerca e formazione finaliz-zato alla delineazione delle più adeguate competenze da porre alla base degli apprendimenti da parte dei giovani studenti, nell’ambito delle discipline di studio a carattere sperimentale

b) socializzare le esperienze metodologiche in ordine ai più attuali livelli di otti-male approccio alle discipline sperimental

c) ondivisione di percorsi formativi con gli enti del territori

Cartoncino di invito all’inaugurazione della mostra nel giugno 2004


La Mostra “Microcosmo con vista”e’ stata presentata in diverse occasioni a conferenze sulla co-municazione scientifica fra le quali:

- Excite, Helsinki 2005- Comunicare Fisica INFN, Frascati 2005- Comunicare Fisica, INFN, Trieste, 2007. Attualmente la mostra Microcosmo con vista è ospitata dall’istituto IMEM nel Campus dell’Uni-versita’ di Parma e, per ragioni organizzative e di personale, è aperta solo nei giorni di mercoledi’ e giovedi’ da ottobre a maggio. Le visite sono organizzate per appuntamento.


Grande Microcosmo con vista

Piano di Fattibilita’ e Ordine di priorita’

Le azioni richieste dall’ampliamento della Mostra si possono riassumere in tre prin-

cipali punti:

1) Individuazione di una sede permanente adeguata.

2) Ampliamento della parte espositiva anche in

altri campi disciplinari3) Attivita’ di promozione e gestione ordinaria.

Iniziative straordinarie


Grande Microcosmo con vistaProgetto per il consolidamento e l’ampliamento ad altri settori scientifici della

mostra permanente Microcosmo con vista

IL PROGETTO GRANDE MICROCOSMO

Questo progetto prevede l’organizzazione di contatti e l’inserimento e la progettazione di exhibit per l'ampliamento di “Microcosmo con vista” a nuovi settori scientifici. Fino ad oggi la mostra ha consentito infatti, grazie a strumenti realmente funzionanti e ad exhibit interattivi, di indagare il mondo della fisica nucleare e subnucleare. Il campo di ciò che non si vede ad occhio nudo è, però, assai vasto e variegato: non solo la fisica dei materi-ali e le nanostrutture possono essere esplorati a livello microscopico, ma anche la biologia, la geologia, l’ingegneria e la chimica.La formula fino ad oggi utilizzata che consiste nell’avvicinare i giovani e i meno giovani alla scienza attraverso esperienze realmente funzionanti che vengono svolte all’interno del per-corso nella mostra, ha dimostrato, dopo oltre due anni di sperimentazione, di essere particolarmente efficace. Attualmente l’esposizione ospita gli esperimenti di: effetto fo-toelettrico, diffrazione degli elettroni, camera ascintille, camera a nebbia, misura velocita’ della luce, tubo a raggi catodici, tubo al plasma, radiometro.Mantenendo la stessa formula si è pensato di espandere “Microcosmo con vista” a settori scientifici diversi.Oltre a questo ampliamento tematico, il progetto prevede anche una cura maggiore degli aspetti legati alla comunicazione scientifica e lo sviluppo in questo senso di collaborazioni anche con le facoltà umanistiche. Se infatti hanno importanza fondamentale i contenuti della mostra i modi e le forme utilizzate per comunicarli non vanno certo messi in secondo piano. Ciò significa porsi domande rispetto al modo e alle forme in cui vengono presentati

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Lara Albanese Luca Trentadue Grande Microcosmo con vista Progetto e Piano di fattibilita’

gli esperimenti, significa preparare in modo adeguato gli animatori scientifici (ovvero coloro che presentano la mostra al pubblico), significa creare percorsi realmente legati alle curiosità dei visitatori ed alle esigenze dei percorsi scolastici che gli studenti stanno svol-gendo.

Il metodoIl metodo utilizzato fino ad oggi da “Microcosmo con vista” è basato sull’osservazione e la misurazione diretta e sull’utilizzo di una forte interattività.E’ ormai accertato che la diretta immersione accompagnata alla interattività sono due in-gredienti fondamentali per rendere la scienza attraente in un contesto nel quale il visitatore si trova per propria libera scelta perchè intende imparare e allo stesso tempo anche diver-tirsi. Quando, come nel caso del microcosmo, l’oggetto di studio è lontano e intangibile, possono, talora, sorgere alcuni problemi rispetto questo metodo basato sull’utilizzo diretto dei sensi. La filosofia di base deve tuttavia rimanere la stessa, da anni provata sul campo da tanti centri della scienza basati sul metodo “hands on” e cioe’ del contatto diretto non solo con gli strumenti ma con gli stessi fenomeni. Per questa ragione le mani verranno messe su modelli, simulazioni, veri e propri strumenti e non direttamente sull’oggetto da investigare. Proprio in questo caso assumono enorme importanza gli strumenti scientifici, indispensa-bile mediazione fra il nostro occhio e il mondo invisibile ad occhio nudo. In questo, più che in altri casi, al metodo “hands on”, va certamente affiancato quello “mind on” grazie al quale anche attraverso il ragionamento il pubblico possa soddisfare un genuino bisogno di indagare per comprendere. Usare la mente vuol dire anche utilizzare la fantasia, perchè an-che grazie all’immaginazione possono nascere idee e domande di tipo scientifico. Anche per questo all’interno dello strutture museali di carattere scientifico ha trovato recente-mente posto anche la rappresentazione teatrale come espressione di un nuovo canale di comunicazione che passa attraverso l’emozione e il coinvolgimento. Tale tipo di comunica-zione offre, fra l’altro, uno strumento unico per parlare al grande pubblico di storia della scienza , settore difficilmente comunicabile al pubblico in altri modi oltre a quello legato alla parola scritta. La mostra “Microcosmo con vista” ha già utilizzato tale tipo di comuni-cazione in occasione della settimana della cultura scientifica e tecnologica del 2005 ospi-tando presso la mostra due attori nelle vesti di Marie Curie e Albert Einstein. Il grande suc-cesso di questo intervento ci ha convinti in maniera definitiva dell’importanza e dell’effica-cia di tale metodo e per questa ragione pensiamo possa essere utilizzato anche per la co-municazione della scienza in altri settori diversi dalla fisica.

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Albert Einstein e Marie Curie impersonati da due attori presso la mostra “Microcosmo con vista” nel 2005

Cosa mettere in mostra?

Gli exhibit scientifici interattivi, gli apparecchi scientifici, i materiali che possono essere messi in mostra sono di vari tipi. Ecco una possibile classificazione degli oggetti che pos-sono essere ospitati da una mostra scientifica permanente come “Microcosmo con vista”: Apparecchiature scientifiche di facile utilizzo, grazie alle quali i visitatori potranno fare vere e proprie osservazioni e misure reali. Un esempio di questo tipo di apparecchiatura può essere rappresentato dalla camera a nebbia, già presente presso la mostra. Tale apparec-chiatura consente di visualizzare i raggi cosmici con una tecnica assai simile a quella utiliz-zata all’inizio del 1900. La camera a nebbia ha avuto un ruolo molto importante sin dagli inizi della esplorazione del mondo subatomico fin dal momento del suo primo utilizzo per rivelare tracce di particelle nel 1911 (C.T.R. Wilson nobel 1926).Le caratteristiche di questo strumento consentono quindi di vedere i raggi cosmici oggi e di ragionare sulla loro scoperta avvenuta un secolo fa’.

Alcuni ragazzi osservano tracce di particelle elementari in una camera a nebbia

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Exhibit interattivi del tipo più comunemente disponibile presso i grandi centri della scienza che si basano su un approccio fortemente attivo del pubblico nella scoperta dei fe-nomeni scientifici. Un esempio di questo tipo è rappresentato dall’exhibit in mostra già da diversi anni. In questo caso il pubblico non ha a che fare con una vera e propria apparec-chiatura di tipo scientifico, ma scopre in modo divertente che il suono impiega tempi diver-si a percorrere spazi diversi.L’intento di questo tipo di proposta è quello di stimolare ed incuriosire. Il pubblico gene-rico fermerà probabilmente qui la proprio scoperta, mentre le scuole potranno eventual-mente porsi il problema di effettuare una misurazione più accurata.

Un gruppo di ragazzi delle scuole superiori gioca con la velocità del suono.

Messa in mostra di modelli. In alcuni casi la messa in mostra di modelli aiuta a comprendere meglio come funzionano i più moderni strumenti. Un esempio può essere rappresentato dal modello di un accelera-tore di particelle.

Exhibit di “immersione totale”

Si possono possono costruire situazioni in cui il pubblico può provare l’emozione di esse-re immerso all’interno una situazione non reale (per esempio nella quale la dimensione de-gli oggetti osservati non corrisponde a quella vera), ma ugualmente istruttiva. Per esempio può cadere all’interno di un buco nero, trovarsi in mezzo a particelle elementari che colli-dono. Simili simulazioni sono possibili grazie all’utilizzo di particolari telecamere e video-proiezioni, o meglio ancora all’interno della cupola di un planetario che, oltre che per la visione delle stelle, consente comunque proiezioni immersive.

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Exhibit storici

Messa in mostra di apparecchiature o strumenti storici che hanno avuto grande importanza nel campo della scienza del microcosmo. Attualmente la mostra “Microcosmo con vista” possiede i negativi delle tracce rilevate dalle prime camere a nebbia. Anche la camera a scintille è del tutto simile ad una apparecchiatura realmente utilizzata di grande importanza oltre che da un punto di vista scientifico anche da un punto di vista storico essendo, fra l’al-tro, uno dei pochi esemplari ancora funzionanti.Diversi strumenti scientifici di rilevanza storica attualmente ospitati da alcune facolta’ del nostro Ateneo potrebbero essere funzionali all’esposizione e aarichirne i percorsi didattici.

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Le attività della mostra “Microcosmo con vista”Fino ad oggi la mostra scientifica interattiva permanente “Microcosmo con vista” si è rivolta alle scuole attraverso il laboratorio sulla fisica delle particelle elementari. Diversi so-no i campi di ampliamento non solo a livello tematico. Riportiamo qui di seguito le attività che si dovrebbero svolgere all’interno della mostra.

Ruolo centrale delle tecnologie dell’informazione e della comunicazione e uti-lizzazione sistematica del web.Il sito web di “Microcosmo con vista” avrà un importanza fondamentale non legata unica-mente alla possibilità di fornire informazioni sulla mostra stessa. Siti web associati a mostre o musei scientifici sono ormai diffusi da anni in tutto il mondo, ma purtroppo ancora troppo poco nel nostro paese.In alcuni casi, come quello eclatante dell’Exploratorium di San Francisco, il sito web (www.exploratorium.edu) può divenire un punto di riferimento davvero importante per tutti coloro che si vogliono occupare di educazione scientifica. Per quanto riguarda le esperienze europee un esempio unico, sebbene limitato alla fascia di età delle scuole materne ed elementari, è rappresentato dal sito francese "La main à la pâte" http://www.inrp.fr/lamap .Nel 1996, il ministero della Pubblica Educazione e l'Accademia nazionale delle scienze si sono collegati per svolgere un programma di insegnamento della scienza nelle scuole ele-mentari. Il progetto sviluppato viene chiamato "La main à la pâte".L'obiettivo è la promozione di un metodo concreto di insegnamento della scienza ai bam-bini delle scuole elementari.I maestri impegnati nel progetto affermano aspettare aiuti diversi, tra i quali : incontri e seminari con colleghi, con pedagoghi o con professori ricercatori. Per soddisfare queste domande, "La main à la pâte" propone un servizio via un sito Internet sul quale esistono tre piazze di scambi, una con gli insegnanti delle scuole, una con i pedagoghi, una con i cercatori.Nuovo modo di attrezzamento pedagogico dei maestri, il servizio sulla rete presenta nume-rose risorse nel campo della pedagogia, dell'informazione scientifica, della sperimentazio-ne. Il servizio web costituisce un mezzo di apprendimento a distanza dedicato agli inse-gnanti delle scuole elementari. Questi sono incoraggiati a svolgere sperimentazioni con gli alunni, possono anche interrogare cercatori scientifici o pedagoghi. Un esperienza simile sarebbe utile nel nostro caso con uno spostamento del target di età verso la scuola superio-re e l’educazione permanente. Assai utile sarebbe la collaborazioneAl sito web potrà essere associata la stampa su supporto cartaceo di un bollettino della mo-stra da inviare per posta ordinaria o da distribuire fra scuole e biblioteche.

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http://www.exploratorium.esu

http://www.exploratorium.esu

http://www.inrp.fr/lamap

http://www.inrp.fr/lamap

Laboratori per le scuoleI laboratori per le scuole rappresentano un punto di contatto fondamentale fra l’educazio-ne scientifica istituzionale e quella più informale comunemente proposta dai centri della scienza. I laboratori sono il cuore della mostra scientifica interattiva “Microcosmo con vista”, la principale ragione per cui la mostra è stata progettata e realizzata.In questo momento storico in particolare in cui grande è lo scollamento fra il sapere scien-tifico teorico (studiato, letto o visto alla televisione) e la scienza provata e sperimentata di-rettamente, “Microcosmo con vista”, viene a rappresentare un riferimento fondamentale per le scuole e per il pubblico in generale.La mostra è stata appositamente attrezzato in modo da consentire l’osservazione diretta, per esempio attraverso la camera a nebbia, del mondo microscopico in modo che difficil-mente sarebbe possibile da una scuola non in contatto col museo e con l’Università. Come già ricordato, nel caso di “Microcosmo con vista”, l’osservazione diretta e la misura stanno alla base di tutti i percorsi e rendono le visite al museo particolarmente adatte ad essere in-seriti all’interno di laboratori per le scuole. Si tratta di una proposta realmente innovativa a livello internazionale.

I laboratori delle scuole hanno inoltre due capi saldi fondamentali. 1. Rientrano in primo luogo in percorsi che ben si adattano ai curricula scolastici ita-

liani, fornendo agli studenti la possibilità di inserire il percorso all’interno della mostra in un percorso formativo scolastico che ne tenga conto o lo accrediti. Tutti percorsi verranno messi a punto direttamente da un gruppo di esperti in col-laborazione con gli insegnanti.

2. Offrono alle scuole un riferimento permanente grazie al quale si possono effettuare misure ed osservazioni non possibili diversamente a scuola. “Microcosmo con vi-sta” diviene in qualche modo un “laboratorio distaccato” di alto livello per tutte le scuole, un laboratorio presso il quale è disponibile l’esperienza di eminenti astro-nomi, un laboratorio presso il quale provare ciò che altrove sarebbe impossibile sperimentare.

Durante il pomeriggio e i fine settimana alcuni laboratori opportunamente adattati potran-no essere resi disponibili a percorsi per un pubblico generico e per le famiglie.

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Corsi di formazione per insegnanti

“Microcosmo con vista”, si propone diventare un punto di riferimento per tutti coloro che si interessano di scienza ed in particolare per le scuole e gli studenti. “Microcosmo con vista “ potrebbe diventare un polo a disposizione anche della facoltà di scienza della formazione in grado di offrire spazi idonei alle attività sperimentali dei corsi di formazione degli insegnanti sia della scuola secondaria che della scuola primaria gia’ presenti o che verranno istituiti dalla nostra Università divenendo uno spazio di collabora-zione fra il mondo della scuola e quello dell’Università.La volontà di proporre agli studenti percorsi accattivanti, ma non per questo distaccati dai curricula scolastici, porta a dare, infatti, particolare importanza alla formazione degli inse-gnanti. Grazie a specifici corsi di formazione e aggiornamento questi ultimi saranno infatti in grado di utilizzare gli strumenti presenti presso la mostra con le proprie classi in manie-ra propositiva ed eventualmente autonoma. La formazione insegnanti verrà portata avanti in prima persona da esperti di massimo livello sia nel campo della scienza che in quello del-la comunicazione della scienza. Gli insegnanti che ne faranno richiesta troveranno anche all’interno della struttura personale altamente specializzato per supporto e verifica dei percorsi didattici che vengono portati avanti una volta conclusa la formazione.I corsi di formazione si terranno sia durante l’anno scolastico che durante le vacanze estive. In questo periodo in particolare saranno proposti corsi intensivi indirizzati soprattutto ad insegnanti provenienti da altre città o nazioni.Una particolare sezione del sito web sarà dedicata alla comunicazione dei corsi e degli eventi per insegnanti e, soprattutto, alla condivisione di materiali della mostra utili per la didattica. Si prevede anche la pubblicazione di alcuni semplici testi di didattica del micro-cosmo collegati alle attività di formazione. Gli esempi ai quali questa impostazione fa riferimento sono vari, ricordiamo fra questi quello dell’ ”Exploratorium Teacher Institute” di San Francisco che da oltre quindici anni rappresenta un riferimento importante per insegnanti di matematica e scienze.I corsi di formazione per insegnanti presso la mostra “Microcosmo con vista” possono essere così raggruppati:

• corsi di formazione su temi scientifici di interesse per i programmi scolastici.• corsi di formazione su temi astronomici di carattere generale.• corsi sulla didattica della scienza.• corsi per la messa a punto di percorsi che prevedano l’utilizzo degli strumenti della

mostra.

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• corsi per lo sviluppo di esperienze di didattica della scienza da fare nelle classi.

Formazione dei comunicatori scientificiNell’intento di formare e di dare stimoli e occasioni si apprendimento a coloro che si occu-peranno di comunicare la scienza all’interno della mostra o in altri contesti lavoratici, ver-ranno istituiti diversi corsi di formazione. Sono già stati presi contatti con la facoltà di Scienza della Formazione del nostro Ateneo. “Microcosmo con vista” potrebbe diventare un luogo di tirocinio e sperimentazione di diverse tecniche di comunicazione in campo scientifico-tecnologico.Si puoi prendere in considerazione l’istituzione di un Master in comunicazione scientifica

in collegamento con il corso di laurea in scienza della comunicazione e col Corso di laurea specialistica in giornalismo e cultura editoriale.

La mostra “Microcosmo con vista” rappresenta un luogo fondamentale di sperimentazione e messa in pratica per coloro che intendono comunicare la scienza: si tratta in fatti di un luogo presso il quale la scienza viene comunicata a tutti i livelli che vanno dalla mostra permanente, alla comunicazione attraverso la parola scritta , l’immagine, il teatro.Interessante in questo senso e di riferimento sono l’Astro Science Bullettin del Planetario di New York che può essere letto in rete sul sito del Planetario, ma anche visto sui grandi schermi della” Hall of the Universe” nella quale notizie e relative immagini sono lette ed osservate su un grande schermo. Ci si rende conto in questo caso quanto la comunicazione attraverso la parola scritta e l’immagine sia certamente fondamentale anche in un centro della scienza fortemente interattivo.Ad una formazione teorica di base sempre utile e necessaria per i comunicatori della scien-za, verrà affiancata una intensa attività di sperimentazione sul campo per cui i partecipanti ai corsi in comunicazione scientifica potranno sperimentare l’efficacia del proprio lavoro in una situazione reale che necessita in numerosi di casi di una mediazione fra l’oggetto in mostra ed il fruitore medesimo dell’oggetto. “Microcosmo con vista”, come luogo di comunicazione scientifica diventerà quindi una palestra per tutti coloro che intendono comunicare la scienza e sarà in molti casi luogo ideale di tirocinio. Le proposte delle altre facoltà del nostro ateneo.

Una prima consultazione effettuata per ampliare la mostra “Microcosmo con vista” ad altre tematiche, ha spinto diversi soggetti a fare alcune proposte di exhibit o apparecchiature per la mostra. Riportiamo qui di seguono le proposte ed i nomi dei proponenti.

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High performance single crystal X-Ray Diffraction.

Proponenti: Franco Ugozzoli, Alessia Bacchi, Giorgio PelosiLaboratorio di StrutturisticaDipartimento di Chimica Generale e Inorganica, Chimica Analitica, Chimica Fisica

Obbiettivi didattici: Mostrare il mondo microscopico attraverso lo studio di molecole e cri-stalli di sostanze di interesse trasversale a varie discipline che spaziano da materiali innova-tivi, nanotecnologie progettazioni di nuovi farmaci.

Obbiettivo di utenza: scuole secondarie superiori.

Outline of the experiment:The talk begins with a demonstration of diffraction. This is done by having the students view a point source of light through a sieve or gauze. Then it is shown how the diffraction pattern is formed as a result of the regularity of the grid and constructive or destructive in-terference of scattered waves by this. If the mesh size is then varied, the reciprocal relation-ship between the mesh and the spacing of the diffraction pattern can be shown. This can also be demonstrated by showing diffraction photos of sodium chloride and a protein on the same scale. The audience is then told that the whole experiment may be scaled down so that the sieve is replaced by a crystal (with spacings of the order of 10-8 cm) and that the visible light is re-placed by X-rays (with wavelengths of the order of 10-8 cm). During this explanation it will be necessary to give some description of the regularity of a crystal as a result of the build-up of unit cells. There are now computer-controlled diffractometers available that require only that the crystal be aligned in the X-ray beam and then the instrument will measure and refine the unit cell dimensions, and record all reflections (Figure 1). The mathematical elaboration of reflection positions and intensities will give an accurate geometric model of the molecules assembled in the crystal, Figure 2. A modern automatic diffractometer can easily measure reflections from a single crystal at the rate of tens or hundreds per minute, so the data for any normal crystal structure can be collected in a few hours. With the aid of a competent crystallographer and a modern computer, the detailed molecular and crystal structure of a large diversity of compounds, from drugs to biological macromolecules, from new inor-ganic materials to supramolecular architectures for nanotechnologies, can be determined in less than one day.

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The demonstration will involve the explanation of the experimental setup, the choice, mounting and centering of a single crystal on the diffractometer, the collection of some dif-fraction frames, and the elaboration of a pre-collected dataset to show how the final crystal structure is determined.

Figure 1. " " " " " " " Figure 2.

Costi

Si propone l’ acquisto di un diffrattometro di ultima generazione per misure di diffrazione ad alta risoluzione) di raggi-X da cristallo singolo dotato di rivelatore CCD (Charge Cou-pled Device). Attraverso questo strumento si mostrerà come si determina la struttura cri-stallina in ricerche di avanguardia sulle strutture molecolari e cristalline di composti di in-teresse farmacologico, biochimico, di nuovi materiali e di architetture supramolecolari per le nanotecnologie.

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SPECIFICATIONS FOR A SINGLE CRYSTAL DIFFRACTION SYSTEM WITH A TWO-DIMENSIONAL 4K CCD DETECTOR, GONIOSTAT AND 3000 WATT GEN-ERATOR

GENERALThe system shall consist of a complete system for the collection of data on single crystal samples, and their structure solution, refinement and publication output. This shall in-clude a stable sealed tube X-ray generator, a precision goniometer with integrated tube mount, an X-ray tube, a monochromator, a two-dimensional 16 Megapixel CCD detector, an integral video camera for viewing a magnified image of the sample, an environmental safety enclosure, and a host computer with all needed software for data collection, data re-duction, structure solution, refinement and publication output.

GONIOMETERHigh precision two circles goniometer with independent motors for the theta and 2-theta circles, 2-theta arm for area detector and variable sample-detector distance. Heavy duty tube shield, fail safe shutter and high-voltage cable. Collimator , beam stop, graphite monochromator to separate the K-alpha radiation from the X-ray spectrum.

CCD TWO-DIMENSIONAL DETECTOR

The detector shall be based on CCD technology for direct electronic imaging of single crystal data, and include the following characteristics:

A 4000 x 4000 pixels, CCD chip with greater sensitivity in detection of X-rays and shall have an imaging with no greater than 1:1 demagnification for optimum signal-to-noise.

The CCD shall be coupled with a phosphor screen, with sensitivity of at least 170 electrons per Mo X-ray photon (and 80 electrons for Cu radiation).

The signal to noise for a single X-ray photon (Mo) should be better than 10:1.

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Costo: 200.000 Euro.

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Incontri ravvicinati con le molecole della vita- A tu per tu con le molecole della vita- A tu per tu con DNA e proteine

Proponenti:Simone Ottonello e Claudio Rivetti, con il supporto tecnico di Arturo R. Viscomi;

Dipartimento di Biochimica e Biologia Molecolare

Descrizione:Negli ultimi anni c’è stato un continuo sviluppo della microscopia a scansione di sonda (SPM), sia per quanto riguarda le sue applicazioni nel campo delle superfici, sia per l’anali-si di macromolecole biologiche. Lo strumento più rappresentativo della microscopia a scansione di sonda è senza dubbio il microscopio a forza atomica che sfrutta gli effetti pro-dotti dalla scansione di una sottilissima punta a contatto o in prossimità di una superficie per ottenere una immagine topografica del campione. Le immagini ottenute con questa tecnica possono raggiungere una risoluzione di pochi Angstrom e per questo sono di grande utilità per diversi tipi di analisi microscopica a livello molecolare, e anche atomico (Bustamante and Rivetti, 1996, Ann. Rev. Biophys. Biomol. Struct.)Dal punto di vista operativo la microscopia a forza atomica (AFM) è di facile utilizzo. E’ interamente gestita da un personal computer, le immagini possono essere ottenute in po-chi minuti (anche da personale non esperto), e dopo rappresentazione in falsi colori pos-sono essere proiettate su schermo, ulteriormente elaborate e commentate. Grazie a queste caratteristiche l’AFM rappresenta un approccio ideale, e di grande impatto visivo, per co-involgere studenti delle scuole medie e altre persone “non esperte” interessate ai segreti della Biologia. Il microscopio a forza atomica non necessita di ambienti particolari né di particolari attrezzature di supporto e i costi di gestione - sonde e substrati per la deposi-zione dei campioni- sono assai limitati. Tutto questo, unitamente alla facilità di utilizzo e alla rapidità di acquisizione delle immagini, permette di progettare dimostrazioni/esperi-menti che prevedono il diretto coinvolgimento dei partecipanti (“hands on”). A riprova della immediatezza della AFM vi è il crescente successo che ha avuto, e continua ad avere, presso vari gruppi di ricerca della nostra Università, appartenenti alle aree più diverse. Al punto che l’unico microscopio attualmente disponibile risulta largamente sovra-utilizzato, con tempi di prenotazione sempre più lunghi e problematici. In questo senso, l’acquisizio-ne di un nuovo microscopio risponderebbe sia alle esigenze di “exhibit” in ambito biologi-co-molecolare di “Grande Microcosmo con Vista”, sia alle esigenze di studio ed analisi di diversi ricercatori della nostra Università.

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Target di utenza per visite:Considerata la facilità di acquisizione e la immediata interpretazione delle immagini AFM, si possono prevedere diversi tipi di percorsi dimostrativi. Ad esempio: i) l’estrazione e la visualizzazione del DNA; ii) la visualizzazione di diverse tipi di molecole di DNA (lineari, circolari) preparate dai partecipanti, ed il “taglio” delle stesse a seguito della aggiunta di specifici enzimi; iii) la “distruzione fisica” del DNA mediante “shearing” o ultrasuoni; iv) i diversi esiti della “distruzione chimica” del DNA in ambiente acido o basico, o in risposta a specifiche sostanze; v) la visualizzazione ed il riconoscimento di macromolecole proteiche di diverse forme e dimensioni fornite ai partecipanti in forma pre-purificata, ma non eti-chettata. opera di enzimi di facile; vi) la visualizzazione diretta di specifici complessi pro-teina-DNA.Grazie a questa varietà di dimostrazioni, tutte facilmente realizzabili anche se con livelli diversi di complessità, l’exhibit AFM è rivolto a vari tipi audience (studenti e insegnanti delle scuole inferiori e superiori, future matricole, studenti e docenti universitari, ma an-che persone esterne all’Università) accomunati dalla curiosità per le “macromolecole della vita” (DNA e proteine) e per le loro interazioni (con se stesse e con l’ambiente che le cir-conda).Utenza per attività di ricerca:- Dipartimento di Biochimica e Biologia Molecolare- Dipartimento di Chimica Organica e Industriale- Dipartimento Chimica Generale ed Inorganica, Chimica Analitica, Chimica Fisica- Dipartimento di Fisica- Istituto CNR-Imem

Costi:Veeco Nanoscope V 120.000 €Mulitmode AFM 40.000 €Scanner E 10.000 €TOTALE: 170.000 €

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Sopra, schema di funzionamento di un AFM; a destra Multimode AFM V (Veeco Instru-ments).

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Bibliografia riferita alla galleria di immaginiA) Rivetti C, Codeluppi S, Dieci G, Bustamante C (2003). Visualizing RNA extrusion and DNA wrapping in transcription elongation complexes of bacterial and eukaryotic RNA polymerases. J. Mol. Biol. 326(5) 1413-1426.

B) Moretto N, Bolchi A, Rivetti C, Imbimbo BP, Villetti G, Pietrini V, Polonelli L, Del Si-gnore S, Smith KM, Ferrante RJ, Ottonello S (2007). Conformation-sensitive antibodies against Alzheimer amyloid-beta by immunization with a thioredoxin-constrained B-cell epitope peptide. J Biol Chem (In press).

C) Sansone F, Dudič M, Donofrio G, Rivetti C, Baldini L, Casnati A, Cellai S, Ungaro R (2006). DNA Condensation and Cell Transfection Properties of Guanidinium Calixare-nes: Dependence on Macrocycle Lipophilicity, Size, and Conformation. J Am Chem Soc 128(45) 14528-14536.

D) Grassi F, Moretto N, Rivetti C, Cellai S, Betti M, Márquez AJ, Maraini G, Ottonello S (2006). Structural and functional properties of lengsin, a pseudo-glutamine synthetase in the transparent human lens. Biochem Biophys Res Commun 350(2) 424-429.

E) Ceci P, Cellai S, Falvo E, Rivetti C, Rossi GL, Chiancone E (2004). DNA condensation and self-aggregation of Escherichia coli Dps are coupled phenomena related to the proper-ties of the N-terminus. Nucleic Acids Res. 32(19) 5935-5944.

F) Petrucco S, Volpi G, Bolchi A, Rivetti C, Ottonello S (2002). A nick-sensing DNA 3’ repair enzyme from Arabidopsis. J. Biol. Chem. 277(26) 23675-23683.

Altra proposta : come si possono ottenere campioni di DNAproponente : Simone Ottonello

Si propongono una serie di piccoli esperimenti per ricavare DNA delle cellule di vegetali. Si osserva in seguito la struttura del DNA ricavato con strumenti.

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Studio delle superfici e delle interazioni di diverse popolazioni di particelle mediante il Microscopio a Forza Atomica ( AFM )

`Proponenti: Paolo Colombo, Alessandra Rossi - Facolta’ di Farmacia

Scopo del lavoro riguarda lo studio della superficie di sistemi nano e microparticellari, co-

stituiti da farmaco ed eccipiente, mediante il Microscopio a Forza Atomica in modalità sia tapping che contact. Inoltre la nostra attenzione è rivolta allo studio delle forze di inter-

azioni tra diverse popolazioni di particelle, in particolare le forze di coesione (farmaco-farmaco) e di adesione (farmaco-eccipiente). A tale scopo si utilizzano dei cantilevers fun-

zionalizzati. La particella di farmaco o di eccipiente in esame è attaccata ad un cantilever senza tip (contact mode) mediante l’utilizzo di un microscopio a luce polarizzata. Una goc-

cia di colla a base di resina epossidica viene depositata su un coprioggetto, il quale viene fissato sull’estremità inferiore del cilindro di teflon. Tale cilindro viene infilato nell’obietti-

vo del microscopio.Il tipless cantilever viene alloggiata su un supporto rimovibile posizionato sul piatto del

microscopio. Il cantilever viene avvicinato al coprioggetto per il prelevamento di una pic-cola quantità di colla, mediante lo spostamento verso l’alto del piatto del microscopio fino a

toccare il coprioggetto attaccato al cilindro di teflon.A questo punto si posiziona sull’estremità inferiore del cilindro di teflon un coprioggetto

su cui sono state depositate alcune particelle. Si procede all’attacco della particella al canti-lever mediante il suo avvicinamento al coprioggetto.

La procedura di attacco della particella di farmaco o di eccipiente segue la metodica ripor-tata in Figura 1.

Lo studio delle forze di superficie è effettuato mediante il programma “Force-Mode”. Il tip viene mosso avanti e indietro sulla superficie in esame. Il segnale inviato al detector si tra-

duce in una curva forza/spostamento (Figura 2)

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Figura 1

Figura 2

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Pubblicazioni del gruppo riguardanti l’uso dell’AFM

1." R. Cortesi, E. Esposito, F. Corradini, E. Sivieri, M. Drechsler, A. Rossi, A. Scatturin,

E. Menegatti. “Non-phospholipid vesicles as carriers for peptides and proteins: pro-duction, characterisation and stability studies”. International Journal of Pharmaceu-

tics 2007. Accettato per la pubblicazione.2." F. Buttini, P. Colombo, M. Wenger, P. Masquilida, C. Marriot, S.A. Jones. “Back to

basic: The development of a simple, homogeneous, two-component dry powder in-haler formulation for the delivery of budesonide using miscible vinyl polymers”. In-

viato al Journal of Pharmaceutical Sciences.

3." F. Sonvico, A. Cagnani, A. Rossi, S. Motta, M.T. Di Bari, F. Cavatorta, M.J. Alonso,

A. Deriu, P. Colombo. “Formation of self-organized nanoparticles by lecithin/chitosan ionic interaction”. International Journal of Pharmaceutics, 324, 67-73,

2006.

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Uno strano modo di vedere: il microscopio elettronico a scansione (SEM)

proponente: Carlo Morandi – Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione

Potrebbero essere organizzati due tipi di dimostrazioni.

1) Un microscopio molto potente. Si esamina un circuito integrato al microscopio ottico. Lo si riesamina al SEM. L’ingrandimento è molto maggiore. Manca il colore. Il vetro della passivazione, trasparente al microscopio ottico, appare opaco. L’immagine SEM non cor-risponde a quello che “vediamo” normalmente. Piuttosto è la mappa dell’intensità di un particolare segnale (elettroni secondari). L’aspetto dell’immagine è però familiare (a volte falsamente familiare). Osservazione di vari campioni preparati che sollecitino la fantasia (cosa si trova nella polvere?).

2) Come si forma l’immagine? Perchè la risoluzione dell’immagine SEM è così grande ri-spetto all’immagine ottica? (non ci sono effetti legati alla propagazione di un fronte d’onda – in fondo succede anche nell’AFM). Spiegazione del meccanismo di formazione dell’im-magine utilizzando elettroni secondari. Effetto del potenziale di griglia del rivelatore. Da che prospettiva viene vista l’immagine del campione? Problema dei campioni non condut-tivi, necessità di metallizzare i campioni.

Si potrebbe realizzare un esperimento curioso. Preparando come campione un vetrino me-tallizzato dappertutto tranne che in una porzione centrale ed illuminandolo con il fascio degli elettroni primari, la parte centrale si carica, tanto da arrivare a deflettere gli elettroni primari (basse tensioni di accelerazione), che anziché il campione vanno a colpire l’ultima parte della colonna o la griglia del rivelatore di elettroni secondari.. Può così risultare pos-sibile formarne un’immagine: il microscopio fotografa se stesso.

Si potrebbe inoltre, con una spesa modesta, dotare lo strumento di un amplificatore della corrente di campione realizzato in modo artigianale. E’ interessante in tal caso confrontare l’immagine in elettroni secondari di un semplice dispositivo a stato solido con l’immagine in corrente di campione. Perchè nell’immagine in corrente di campione un filo d’oro ed uno di alluminio appaiono di diversa luminosità?

Quanti tipi di immagini diverse si possono ottenere con un SEM? (e secondari, e retrodif-fusi, corrente di campione, raggi X, ...)

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