È un segno di speranza. Pfizer ha annunciato che il suo vaccino Covid-19 potrebbe essere efficace al 90%. Questo potrebbe davvero aiutarci a superare questa maledetta pandemia. Ma c’è una fregatura. Il vaccino si basa sull’mRNA (RNA messaggero) – questo legge il DNA nel nucleo di una cellula e trasporta le istruzioni al citoplasma dove vengono prodotte le proteine. Il problema è che l’mRNA ha normalmente una vita breve. O interagisce con l’ossigeno o si ripiega su se stesso e quindi non fa il suo lavoro. Quindi, se vuoi usarlo in un vaccino, devi far durare l’mRNA più a lungo. Questo significa che devi tenerlo al freddo. Molto freddo. La temperatura di conservazione standard per questi tipi di vaccini è di -80 gradi Celsius. Già. Quindi, questo significa che dobbiamo parlare di cose fredde. Facciamolo.
Quanto è freddo -80 gradi Celsius?
Forse non hai molta familiarità con le unità di temperatura in Celsius, ti capisco. Onestamente, non c’è niente di veramente sbagliato con l’unità di temperatura Fahrenheit (tranne che non riesco mai a ricordare come si scrive). Il vantaggio dell’unità Celsius è che è più facile da calibrare. Il metodo originale era di usare il punto di congelamento dell’acqua come 0°C e il punto di ebollizione dell’acqua come 100°C. Tuttavia, il valore di 1°C è stato successivamente ridefinito per essere determinato dalla costante di Boltzman, una costante fondamentale che dà una relazione tra l’energia cinetica media delle particelle e la temperatura di un sistema.
Se conosci due valori di temperatura corrispondenti sia in °C che in °F, puoi impostare un’equazione che converte da Celsius a Fahrenheit. Puoi anche usare le tue abilità algebriche di base per cambiare questo in un’equazione che prende la temperatura in Fahrenheit e la converte in Celsius. Ecco le due equazioni.
Quindi, se metti una temperatura di -80°C ottieni una temperatura di -112°F. Sì, è piuttosto freddo. Ma ecco la mia temperatura preferita: meno 40. Ci sono due grandi cose riguardo a -40. Per prima cosa, non c’è bisogno di specificare se è in Celsius o Fahrenheit dato che -40°C = -40°F (vai avanti e controlla tu stesso). La seconda cosa fantastica di -40 è che è la temperatura sulla superficie di Hoth (da Star Wars V: The Empire Strikes Back). Ok, forse non tutti sono d’accordo sulla temperatura di Hoth, ma questo è il valore usato nell’episodio di Guerre Stellari di MythBusters quindi mi atterrò ad esso.
Come si fa a portare qualcosa a -80 gradi Celsius?
Il modo più semplice per rendere qualcosa freddo è metterlo in contatto termico con un altro oggetto ancora più freddo. Ma potresti non essere in grado di trovare qualcosa di più freddo di -80°C (anche se c’è un’opzione a cui arriverò tra un po’). Questo significa che devi usare un metodo di raffreddamento diverso. Probabilmente il metodo di refrigerazione più comune è lo stesso che usa il tuo frigorifero. Puoi capire come funziona con una dimostrazione molto semplice usando un elastico, quindi vai a prenderne uno.
OK, hai il tuo elastico (spero). Prendilo e allungalo con le mani, e tienilo allungato. Ora tocca l’elastico allungato sul tuo labbro (che è molto sensibile ai cambiamenti di temperatura). Dovresti essere in grado di sentire che l’elastico è più caldo della temperatura ambiente. Non lasciare che l’elastico si rilassi, tienilo teso per un po’ (30 secondi almeno). Dovrebbe raffreddarsi e tornare a temperatura ambiente. La prossima parte è la migliore. Infine lascia che l’elastico ritorni alla sua lunghezza normale. Toccatelo di nuovo al vostro labbro e potrete sentire che l’elastico è ora freddo.
Quindi, ecco cosa è successo. Allungare l’elastico lo fa riscaldare. Se lo si lascia tornare subito alla sua lunghezza originale, non succede nulla di interessante. Tuttavia, lasciando che l’elastico allungato si raffreddi a temperatura ambiente, la sua temperatura diminuisce ancora quando ritorna al suo stato rilassato, ma ora finisce più freddo della temperatura ambiente. Invece usa un qualche tipo di gas liquido chiamato refrigerante (ci sono molte sostanze chimiche diverse che si possono usare in questo caso). Si potrebbe iniziare con il refrigerante come gas e comprimerlo fino a farlo diventare liquido. Questa compressione fa riscaldare il refrigerante. Il passo successivo è lasciare che il refrigerante compresso si raffreddi all’esterno del frigorifero. Ora puoi mettere il refrigerante all’interno del frigorifero e lasciarlo espandere di nuovo in un gas, e si raffredda – molto più freddo della temperatura ambiente. Ecco come si mantiene il cibo freddo.
Ma cosa c’è di diverso nel congelatore a -80 gradi per la conservazione dei vaccini? Si scopre che è praticamente impossibile far scendere la temperatura interna del congelatore a -80°C con il tuo normale refrigerante. Invece, hai bisogno di DUE serie di refrigeranti. È una specie di congelatore dentro un congelatore. Il congelatore esterno è più o meno come quello della tua cucina. Il congelatore interno usa un refrigerante diverso (forse alcool isopropilico) in modo che quando è compresso, può raffreddarsi all’interno del congelatore normale. Ma avere due compressori è ciò che rende questi più costosi. Oh, vuoi vedere una foto?
Questo è il freezer nel laboratorio di biochimica della Southeastern Louisiana University. Ora sai com’è fatto.
Ghiaccio secco
Ti ho detto che c’era qualcosa che avresti potuto trovare a -80°C, ed è il ghiaccio secco-anidride carbonica solida. Per fare il ghiaccio secco, si inizia con del gas di anidride carbonica. Questa anidride carbonica gassosa viene poi raffreddata e compressa in anidride carbonica liquida. Poi, quando l’anidride carbonica liquida viene rimossa dalla pressione, si trasforma nuovamente in un gas. Ma questa transizione di fase fa anche diminuire la temperatura e la fa diventare abbastanza fredda da congelare a -80°C e diventare solida.
Ma l’anidride carbonica solida fa delle cose strane a pressione atmosferica (una pressione di 1 atm) – quando si riscalda, passa direttamente da solido a gas senza prima diventare liquido. Questo si chiama sublimazione. È strano. Dato che non si trasforma in un liquido, non è bagnato. Sì, è da qui che deriva il nome “ghiaccio secco”.
Anche l’H2O può fare questo? Sì. Ci piace pensare che il punto di congelamento e di fusione dell’acqua sia a una temperatura fissa, ma non è così. Dipende anche dalla pressione. Quindi, è utile fare un grafico di temperatura e pressione per diverse sostanze chimiche. Lo chiamiamo diagramma di fase. Ecco come sarebbe per l’H2O.
C’è molto in quel diagramma, quindi lasciatemi sottolineare alcune cose importanti. Date un’occhiata a quella linea orizzontale tratteggiata. Quella è la linea che corrisponde alla pressione atmosferica (è la pressione con cui viviamo sulla superficie della Terra). Se guardi il grafico a sinistra lungo la linea tratteggiata, questa sarebbe roba fredda e l’acqua sarebbe un solido (lo chiamiamo ghiaccio). Nel punto A, la temperatura è 0°C e questa è la temperatura di una transizione di fase da solido a liquido. Il punto B è a 100°C ed è la transizione di fase da liquido a gas. Ma che dire del punto C? Quello è chiamato il punto triplo. Se si riduce la pressione si possono avere fasi solide, liquide e gassose allo stesso tempo. Per l’acqua, questo è ad una temperatura di 0,1°C con una pressione di 0,006 atmosfere. È una figata, guardate questo video.
Si può vedere come l’anidride carbonica sia diversa guardando il diagramma di fase. Assomiglia a questo.
Se si guarda la linea tratteggiata per una pressione di 1 atmosfera, è ora sotto il punto triplo. Ciò significa che un solido farà un cambiamento di fase direttamente in un gas. Questo è il caso del ghiaccio secco. Ma se si aumenta la pressione fino a circa 5 atmosfere, si può ottenere che l’anidride carbonica solida faccia una transizione di fase nella fase liquida. Come bonus, vi mostrerò questa anidride carbonica liquida.
Ecco come potete farlo. Mettete il ghiaccio secco in un contenitore di plastica sigillato alle due estremità. Io userò una cannuccia di plastica trasparente. Quando il ghiaccio secco si riscalda, si trasforma in un gas, come piace al ghiaccio secco. Tuttavia, questo gas di anidride carbonica non ha dove andare, e questo aumenta la pressione all’interno della cannuccia. Alla fine la pressione diventa così alta che si forma anidride carbonica liquida. Ma alla fine la pressione diventa troppo alta e la cannuccia esplode. Non è una grande esplosione, è solo una cannuccia. Ecco, date un’occhiata.
Penso solo che questo sia davvero forte. Di solito quando si ha l’anidride carbonica liquida, è in un serbatoio metallico a pressione e non si può effettivamente vedere. Beh, almeno io non l’avevo mai vista prima di fare questo esperimento.
Ma che ne sarà del vaccino Covid-19?
Sì, questo è il problema logistico che ci troviamo ad affrontare in questo momento. Sarà piuttosto difficile spedire e poi conservare il vaccino in modo che possa essere distribuito. Questo richiederà una combinazione di congelatori ultra freddi e stoccaggio in ghiaccio secco. Ma in ogni caso, sembra che abbiamo davvero bisogno di un vaccino per superare questa pandemia. Come ogni eroe, ha bisogno di una spalla che, in questo caso, è la refrigerazione super fredda.
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