La grande scienza nasce dalla curiosità e dal duro lavoro. In questo caso, tutto è iniziato con un congelatore rotto.

Atsuko Kobayashi (MS '91) e il professore di Caltech Joseph Kirschvink (BS, MS '75), un team di ricercatori composto da marito e moglie che divide il proprio tempo tra il Giappone e gli Stati Uniti, è tornato a casa per scoprire che il loro congelatore era morto durante la loro assenza.

Mentre ne compri uno nuovo, Kobayashi ha visto una pubblicità per un tipo speciale di congelatore che utilizzava campi magnetici per mantenere il cibo più fresco "sottoraffreddandolo". lei non l'ha comprata, ma voleva sapere perché il superraffreddamento potrebbe migliorare il cibo congelato e come i campi magnetici potrebbero causare il superraffreddamento.

Quando raffreddato a una temperatura inferiore a 0 gradi Celsius, le molecole d'acqua iniziano a formare cristalli di ghiaccio ovunque ci siano minerali o altri solidi sospesi nell'acqua, i cosiddetti siti di nucleazione. Acqua completamente pura, privi di siti di nucleazione, può essere raffreddato ben al di sotto del consueto punto di congelamento e tuttavia rimanere liquido, un processo chiamato superraffreddamento.

Il superraffreddamento ha vantaggi commerciali. Infatti, senza necessariamente conoscere i meccanismi alla base del perché funzionano, I pescatori giapponesi hanno utilizzato i congelatori a controllo magnetico per trasportare il pesce al mercato per lunghe distanze. Il trattamento ha lo scopo di ridurre il danno cellulare nella carne dei pesci, mantenendo intatti il ​​sapore e la consistenza. Il pesce viene spesso venduto sul mercato ittico competitivo a prezzi paragonabili a quelli della varietà appena pescata.

"Quando raffreddi l'acqua prima di congelarla, il ghiaccio risultante non si espande di volume quanto il ghiaccio normale perché assume una struttura cristallina diversa. Se stai congelando i tessuti, che hanno acqua in loro, meno espansione significa meno danni alle cellule, " dice Kobayashi. Il processo offre anche vantaggi scientifici. Come microscopista elettronico, Kobayashi deve spesso congelare i tessuti biologici prima di generarne le immagini. Uno dei suoi principali obiettivi è stato trovare modi per congelare i tessuti biologici riducendo al minimo i danni causati dalla formazione di cristalli di ghiaccio.

"La domanda era, perché i campi magnetici avrebbero alcun effetto sul fatto che l'acqua non purificata, come l'acqua nelle cellule, potrebbe essere super raffreddato?" chiede Kobayashi, che è un ricercatore senior presso l'Earth-Life Science Institute presso il Tokyo Institute of Technology e visitatore in geologia e biologia al Caltech.

Durante la ricerca di minerali capaci di nucleazione del ghiaccio, ha avuto una realizzazione:la risposta potrebbe risiedere nella magnetite, un composto naturale di ferro e ossigeno che è magnetico.

Il team di ricerca di Kobayashi e Kirschvink ha studiato a lungo la magnetite. Kobayashi è stato il primo a riuscire nell'estrazione e nell'imaging di nanocristalli di magnetite biologica nel cervello umano, e Kirschvink, il professore di geobiologia Nico e Marilyn Van Wingen al Caltech, ha trascorso gli ultimi 30 anni esplorando quale ruolo potrebbe svolgere la magnetite biologica nella magnetorecezione, la capacità delle creature viventi di percepire i campi magnetici

Il loro lavoro si basa sulla ricerca di Heinz Lowenstam, un paleoecologo che si è unito al Caltech nel 1952. Sebbene fosse ben noto che gli animali potevano generare minerali duri nei denti e nelle ossa, Lowenstam ha scoperto nel 1962 che i denti dei chitoni (un tipo di mollusco marino) erano ricoperti di magnetite. La magnetite è il minerale più duro che un animale possa produrre, e in seguito è stato scoperto come un precipitato biologico in creature come i batteri, api, uccelli, e mammiferi, compreso l'uomo.

Kobayashi ha dimostrato che tracce di particelle di magnetite aggiunte all'acqua hanno un enorme effetto sulla sua temperatura di congelamento. Un precedente documento del team di ricerca Kobayashi/Kirschvink ha mostrato che poche parti per miliardo di magnetite aggiunta all'acqua ultrapura, acqua priva di altri siti di nucleazione, hanno impedito quasi del tutto il superraffreddamento. Scavando più a fondo, hanno scoperto che il ghiaccio si cristallizza facilmente sulla superficie delle particelle di magnetite a temperature appena inferiori a 0 gradi Celsius.

Ragionando sul fatto che qualsiasi lieve interruzione sulla superficie della magnetite dovrebbe interrompere questo processo e prevenire il congelamento, hanno quindi progettato una serie di esperimenti utilizzando campi magnetici rotanti circa 20 volte più forti del campo magnetico terrestre, abbastanza forti da far oscillare le molecole di magnetite. Mantenendo le molecole di magnetite in costante movimento, hanno impedito la formazione di ghiaccio sulla loro superficie e sono stati in grado di raffreddare l'acqua impregnata di magnetite quasi quanto l'acqua ultrapura. Questo ha funzionato anche in due tipi rappresentativi di tessuto:sedano (per le verdure) e muscolo di vacca (per le carni). Facendo oscillare le molecole di magnetite nelle cellule dei tessuti vegetali e animali, sono stati in grado di sovraraffreddarli e infine congelarli con meno danni ai tessuti.

"La scoperta convalida i pescatori giapponesi che utilizzano questa tecnologia da anni e conferma la magnetite come la causa alla base del danneggiamento delle forme di ghiaccio nei tessuti, " dice Kobayashi. Suggerisce anche un modo per aiutare a combattere la fame nel mondo, lei dice. Stime recenti del National Resources Defense Council indicano che il 40% dell'approvvigionamento alimentare umano viene perso tra la fattoria e la tavola da pranzo, e che i danni causati dal gelo e dal congelatore sono responsabili di una parte di questa perdita. "Se quel danno potesse essere mitigato dall'applicazione controllata di campi magnetici, più cibo potrebbe arrivare sulle tavole di tutto il mondo, riducendo il carburante, fertilizzante, e l'acqua necessaria per l'agricoltura moderna, " Dice Kobayashi. "Comprendere il motivo per cui il ghiaccio dannoso si forma nei tessuti quando si congelano potrebbe anche portare a tecniche migliorate per la conservazione criogenica delle uova vive, sperma, embrioni, e forse anche piccoli animali."

Per Kirschvink, questa scoperta è solo l'inizio. La magnetite può essere una delle cause principali della nucleazione del ghiaccio in natura, lui dice. "Gli scienziati del clima hanno cercato di individuare la fonte della nucleazione del ghiaccio per decenni in modo da poter migliorare i modelli di circolazione atmosferica, semina delle nuvole.

Lo studio, intitolato "Controllo magnetico della nucleazione eterogenea del ghiaccio con magnetite nanofasica:implicazioni biofisiche e agricole, " appare online prima della pubblicazione nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze il 7 maggio