Cristallizzazione delle gocce d’acqua in

microscopia a campo oscuro:

un processo per visualizzare la sanità e la qualità dei prodotti

agro-alimentari.

Dr Maria Olga Kokornaczyk

1. Il materiale viene messo in acqua ultrapura nella proporzione 1:20 p/w

2. Dopo 1-5 ore, gocce della soluzione vengono messe sui vetrini e lasciate ad asciugare

3. Le gocce vengono osservate al microscopio a campo oscuro

4. Le immagini vengono fotografate ed analizzate sia visualmente sia con un software appropriato.

Il metodo si basa sul fenomeno dell’auto-organizzazione della materia durante l’evaporazione di una goccia d’acqua.

Viene studiato ed applicato in vari campi della scienza: Nano-tecnologie, produzione di nano-materiali ottici ed elettronici Medicina, diagnosi Industria delle vernici Espressione genetica, array di DNA

L’interesse scientifico riposto recentemente in questo fenomeno e le sue numerose possibili applicazioni ci stimolano ad approfondire questa ricerca, facilitando la pubblicazione dei risultati ottenuti su riviste internazionali e permettendo interessanti collaborazioni. La ricerca da noi effettuata è la prima che applica questo fenomeno nell’ambito della qualità degli alimenti.

Coffee Ring

Contact line pinning

Marangoni effect

Segregation

MICROFLUSSI e le loro influenze sull’immagine finale

Struttura dissipativa 1977, Ilia Prigogine, premio Nobel

Indica un sistema termodinamicamente aperto che lavora in uno stato lontano dall’equilibrio termodinamico scambiando con l'ambiente energia, materia e/o entropia. I sistemi dissipativi sono caratterizzati dalla formazione spontanea di strutture ordinate e complesse, a volte caotiche. Questi sistemi, quando attraversati da flussi crescenti di energia e materia, possono anche evolvere, passando attraverso fasi di instabilità, aumentando la complessità della struttura (ovvero l'ordine) e diminuendo la propria entropia (disordine).

L'auto-organizzazione 1943, primi anni della cibernetica. è una forma di sviluppo del sistema dovuta ad influenze provenienti dagli stessi elementi che costituiscono il sistema; permette di raggiungere un maggior livello di complessità.

Eigen, Haken,Lovelock

Presentazione dei risultati delle nostre ricerche:

-Influenza del processo della dinamizzazione sull’acqua-Influenza dei trattamenti con prodotti omeopatici su fagiolo-Influenza della luce UV sul processo della cristallizzazione-Messa a punto della metodologia per valutare la qualità del frumento di diverse varietà

- ripetibilità- valutazione visiva- valutazione computerizzata- calcolo delle dimensioni frattali- confronto con test sulla vitalità del seme (germinazione, conducibilità elettrica)

distrutto forme povere bordo luminoso forme ordine

Dinamizzazione dell’acqua di rubinetto Gocce di acqua dinamizzata tendenzialmente mostravano: Più forme Più ordine Erano più chiare Le forme erano più centrali

Dinamizzata Controllo

Prove su piante di fagiolo trattate con preparati omeopatici

L’analisi dell’area fogliare e dell’altezza delle piante di fagiolo trattate con diversi preparati omeopatici (α, β, γ) ha evidenziato effetti inibenti rispetto alle piante di controllo non trattate. Tale effetto trova riscontro con le caratteristiche delle immagini derivanti dalle foglie delle piante diversamente trattate: l’intensità delle forme e la complessità del disegno sono più evidenti nel controllo rispetto ai trattati.

LuceBuio

Prove su semi di frumento di diverse varietà

Imbibizione al buio

Cris

talli

zza

zio

ne

alla

luce

Imbibizione alla luce

Cris

talli

zza

zio

ne

al b

uio

Caratteristiche osservateImbibizione Cristallizzazione Assenza di

formeForme semplici

Forme complesse

Forme a stella

Buio Buio 4 11Luce Buio 1 8 6Buio Luce 15Luce Luce 3 12

Imbibizione

cristallizzazione

VARIETA’

INA

GR

NOB

BEN

RIPETIZIONI GOCCE GIORNO TOTALE

320 immagini

80

80

80

80

PROVA SUL FRUMENTO IN AMBIENTE CONTROLLATO

B

Zona centrale (ZC)

ZC

Strutture cristalline (SC)

SC

ZC

ZC

SC

SC

BBordo (B)

X 40

X 100

10

7

4

7

1

VALUTAZIONE VISIVA CON IMMAGINI DI RIFERIMENTO

Guardare le immagini in entrambi gli ingrandimenti e dare un punteggio da 1 a 10. I punteggi 1, 4, 7 e 10 hanno un’immagine di riferimento (vedi sotto), mentre i punteggi intermedi vanno determinati in base alla minore o maggiore somiglianza alle immagini di riferimento (esempio: 2 se l’immagine è appena più complessa di 1; 3 se è un po' meno complessa di 4).

Punteggio 1: Non si vedono forme cristalline, ci sono quindi solo punti o agglomerati (vedi figura 1)Punteggio 4: Ci sono forme cristalline semplici (una o più di una), che non sono raggruppate e non trasmettono la sensazione di struttura centrataPunteggio 7: C’è una forma cristallina centrale e predominante a forma radiale, ancora abbastanza povera nelle forme (soprattutto nell’interno).Punteggio 10: La forma cristallina è molto ben sviluppata, le forme sono ben visibili e ricche, trasmettono una sensazione di ordine e completezza.Attenzione: 1-5 – senza una forma cristallina centrale predominante; 6-10 – con una forma cristallina centrale predominante.

BEN

INA

GR

NOB

Varietà di frumento

Valutazione visiva

Inalettabile 7,0 (a)

Gentil rosso 6,1 (b)

Nobel 3,8 (c)

Benco 3,3 (c)

con centro

senza centro

varietà

%

I NA

BEN

Valutazione con programma IMAGE J

Varietà di frumento

Perimetro (pixel x 103)

Area della struttura cristalina maggiore

(pixel x 105)

Lunghezza tot delle

ramificazioni (pixel x 104)

Lunghezza media delle ramificazioni

(pixel)

Numero delle

ramificazioni (pixel x 103)

Lunghezza tot delle

ramificazioni/ periro

Valutazione visiva

Inalettabile 4,2 (a) 3,6 (a) 4,4 (a) 11,8 (bc) 5,0 (a) 8,6 (a) 7,0 (a)

Gentil rosso 3,6 (b) 2,7 (b) 3,5 (b) 10,5 (c) 4,2 (a) 7,3 (a) 6,1 (b)

Nobel 1,9 (c) 1,4 (c) 1,2 (c) 13,8 (a) 1,3 (b) 2,9 (b) 3,8 (c)

Benco 1,2 (d) 0,4 (d) 0,4 (d) 12,7 (ab) 0,5 (b) 1,5 (b) 3,3 (c)

Frattali di LaplacianFrattali deterministici Frattali randomizzati

Frattali anisotropici

Diversi tipi di frattali:

Diffusion limited aggregation

Alberi di Brown

Immagine creata dal computer

Immagine ottenuta nel nostro laboratorio (cv. Inalettabile)

Dimensione frattale (D) è una quantità statistica che dà un'indicazione di quanto completo appare un frattale per riempire lo spazio.

La dimensione di Minkowski-Boulingand o BOX-COUNT (dimensione del conteggio delle celle), è un mezzo per determinare la dimensione frattale di un insieme S in uno spazio metrico (X, d). Per calcolare questa dimensione di un S frattale, si immagina che questo frattale si trovi su un griglia diffusa su tutto lo spazio, e si conta quante celle sono necessarie per coprire l'insieme. La dimensione della misura di celle viene calcolata osservando come questo numero cambia quando la griglia è resa più fine.Supponiamo che N(ε) è il numero di celle di lunghezza laterale ε necessarie per coprire l'insieme. Allora la dimensione della misura delle celle è definita in questo modo:

D= 1.77

LCFD= 1.11LFD= 1.18MFD= -1.21

Inalettabile Gentil rosso Nobel Benco

Valutazione visiva (scala da 1 a 10)

7,0 (a) 6,1 (b) 3,8 (c) 3,3 (c)

Lunghezza delle

ramificazioni (pixel x 104)

4,4 (a) 3,5 (b) 1,2 (c) 0,4 (d)

Dimensione frattaleLCFD

1,05 (a) 0,94 (b) 0,7 (c) 0,58 (d)

Prove su 4 varietà di frumento tenero

Immagini fotografate, ingrandimento 100 volte

Correlazioni tra i tre approcci di valutazione delle immagini

R=0,78 ***

R=0,75 ***

R=0,85 ***

Confronto tra la forza di cristallizzazione e il vigore del seme

a

dc

bab

bcc

a

ab

bcc

a

a

bb

a

f(z) = z2 + c

a+ib

zn+1  = f(z) =  zn2 + c

|c| < ~ 2

z – variabilec – costanteEntrambi sono numeri complessi:

INSIEME DI JULIAE INSIEME DI MANDELBROT

Studio della Sostanza

VI secolo avanti CristoAntica Grecia:Talete, Parmenide“Da cosa e’ fatta la realta?”La prima risposta fu: Terra, Fuoco, Aria, Acquapoi gli elementi chimici,gli atomi (Dalton),particelle subatomiche,quark…

Studio della Forma

VI secolo avanti CristoAntica Grecia:Pitagora, alchimisti, poeti romantici, GoetheFu sempre oscurato dallo studio della sostanza (sopratutto nel XX secolo dalla genetica)“Come e’ lo schema, la rete?”“Come sono le interazioni?”

Entrambi sono essenziali per la comprensione della vita.