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La scienza dei materiali ci viene in aiuto: chewing gum facilmente rimovibile

Tradotto da Monica Mauri


Immagine gentilmente concessa da iStockphoto

Halina Stanley indaga sulla la storia del chewing gum, sul modo in cui la chimica della gomma influenza le sue proprietà, e su come gli scienziati stanno usando queste conoscenze per rendere il chewing gum sempre meno inquinante.

Che piaccia o non piaccia, masticare la gomma è un’attività diffusa ovunque, e solitamente innocua. Innocua, a meno che qualche idiota decida di mettervene alcune nei capelli. Non sarebbe bello se la gomma da masticare non si appiccicasse ai tappeti, alle scarpe e sotto i banchi di scuola? Terry Cosgrove, professore di chimica alla Bristol University, UK, ha deciso di passare all’azione; il suo chewing gum facilmente rimovibile potrebbe far risparmiare milioni in spese di lavanderiaw1.

L’appiccicosità del chewing gum potrebbe essere un effettow2 collaterale indesiderato, ma la masticabilità è una proprietà molto desiderabile. I produttori di gomma da masticare – e alcune dicerie – sostengono che masticare la gomma sia utile per migliorare attenzione, concentrazione e vigilanza, per ridurre lo stress, e favorire la perdita di peso; c’è persino che sostiene che aiuti a smettere di fumare e prevenire il mal di mare. Ci sono addirittura affermazioni pubblicitarie secondo le quali masticare la gomma può ridurre significativamente la carie dentale e l’alito cattivo. Tuttavia, un’osservazione “scientifica” di due studenti di scuola superiore, effettuata dall’autore, rivela che attualmente i ragazzi mastichino la gomma come attività sostitutiva della masticazione di penne e matite: sembra che il masticare sia un bisogno umano universale.

Ma cos’è il chewing gum? Originariamente era semplicemente una resina stillata dagli alberi. Per esempio, nella penisola dello Yucatan in America Centrale, gli Amerindi ( nativi Americani) estraevano la gomma da un albero tropicale sempreverde chiamato Manilkara chicle. Più di mille anni fa, essi facevano delle incisioni nel tronco, raccoglievano le gocce di gomma e quindi la riscaldavano finché essa non raggiungeva la consistenza giusta per poterla masticare. La parola ‘chicle’ significa semplicemente ‘materiale appiccicoso’ nell’antica lingua Azteca Nahuatl.

Ma masticare la gomma non è un’abitudine unicamente Americana – neppure in origine: anche gli Europei dell’età della pietra erano soliti masticare la gomma. Nel 2007, Sarah Pickin dell’Università di Derby, UK, rinvenne, nel corso di uno scavo archeologico in Finlandiaw3, un pezzo di gomma risalente a 5000 anni fa, completo di impronte dentali fossilizzate. Questa gomma veniva estratta dagli alberi di betulla dagli uomini dell’età della pietra, e riscaldata allo scopo di formare una specie di catrame, solido se freddo, ma più morbido se riscaldato. Sembra che venisse utilizzato come colla per riparare vasellame da cottura o per attaccare le punte delle frecce sui loro steli, ma ovviamente veniva anche masticata. Il Professor Trevor Brown, tutor di Sarah all’Università di Derby, afferma che questa gomma contiene dei composti antisettici naturali, ed in questo modo gli uomini del Neolitico avrebbero avuto il loro chewing gum medicato utile per trattare le infezioni della bocca.


Albero di Manilkara chicle con incisioni per la raccolta della linfa
Immagine gentilmente concessa da Luis Fernández García; fonte: Wikimedia Commons

Il chicle, e altre linfe arboree – incluso il lattice, dal quale può essere prodotta la gomma naturale – sono polimeri naturali. Questi polimeri – politerpeni – sono costituiti da migliaia di subunità isopreniche C5H8w4. In funzione della specie di alberi o piante di provenienza, i polimeri naturali possono essere più o meno altamente ramificati, avere dimensioni differenti (o masse molecolari) e possono essere miscelati con oli essenziali volatili, e tutto ciò porta a differenti gradi di morbidezza ed elasticità. (Gli effetti della struttura chimica sulle proprietà fisiche dei polimeri possono essere facilmente studiati in classew5.) Questi liquidi viscosi possono essere solidificati introducendo legami incrociati nei polimeri; questo processo può essere studiato aggiungendo una soluzione di tetraborato di sodio alla colla ‘bianca’ a base di polivinilalcol. Si possono trovare schede relative a questo classico esperimento su numerosi siti webw6 ed è interessante osservare l’effetto della variazione della densità dei legami incrociati (cambiando le proporzioni tra il sodio tetraborato e la colla).


Albero di Manilkara chicle
Immagine di pubblico dominio; fonte: Wikimedia Commons

Sebbene la prima fabbrica di gomma da masticare, che aprì negli USA nel 1870, usasse come gomma base la linfa dell’albero di Manilkara chicle, le gomme moderne sono a base di polimeri sintetici. Con uno sbalorditivo consumo di gomme dell’ordine di 50 miliardi di pezzi all’anno solo negli USA (circa 170 pezzi all’anno pro capite), non è certo possibile basarsi unicamente sulle materie prime provenienti dalle foreste tropicali. Alcune formulazioni potrebbero ancora includere degli ingredienti naturali, ma dei dati certi sono difficili da reperire – si tratta di segreti industriali ben custoditi. Invece, le basi di gomma costituite da polimeri sintetici utilizzate per i chewing gum commerciali imitano ed ottimizzano le proprietà dei polimeri naturali: esse sono infatti inerti, insolubili e assolutamente non nutritive. Questi polimeri vengono sintetizzati a partire da derivati petroliferi ai quali vengono aggiunti zucchero (o dolcificanti come l’aspartame) ed altri aromatizzanti. Il colorante (tradizionalmente il rosa brillante per il bubblegum) è l’unico ingrediente aggiuntivo, a meno che la gomma non venga utilizzata per scopi medicali, per esempio per aiutare a perdere il vizio del fumo, visto che queste gomme ovviamente contengono anche un principio attivo (es. la nicotina) in forma idrosolubile.

La formulazione della gomma base, in modo che essa abbia la masticabilità (elasticità) e il rilascio di sapore adeguati, è complessa, e varia a seconda delle proprietà elastiche desiderate (il bubblegum è più elastico del normale chewing gum, per esempio). Esso contiene vari elastomeri (per conferire elasticità), resine (che agiscono da leganti), riempitivi (che contribuiscono alla consistenza complessiva e potrebbero aiutare ad ottenere gomme a basso contenuto calorico aumentando il volume della gomma senza aggiungere ingredienti nutrienti) e plastificanti (per ammorbidire la miscela)w7.

Il componente principale è solitamente una miscela di elastomeri sintetici quali il poliisobutene, i copolimeri isobutilene – isoprene (gomma butilica), i copolimeri stirene-butadiene e polivinilacetato – potreste aver sentito nominare queste sostanze in relazione ai pneumatici delle automobili. Questi polimeri sono tutti insolubili in acqua, idrofobici (idrorepellenti) e non biodegradabili. Questo spiega perché spazzolando il tappeto con l’acqua non si riesce a spostare il chewing gum. Neppure l’ammollo in acqua è di alcun aiuto. E se la gomma è appiccicata ad una parete di calcestruzzo o sul selciato, la pioggia non la lava via.

Quando si mastica un pezzo di gomma, la parte idrosolubile (zucchero e aromatizzanti) viene gradualmente rilasciata, mentre la base polimerica (la plastica) rimane. Dopo un po’, la gomma diventa insapore perché tutti gli aromatizzanti sono stati rilasciati; la base gommosa invece non si scioglie mai. Il calore della bocca ammorbidisce la base gommosa e la rende più duttile, ma essa non è veramente cambiata, e si indurirà nuovamente per raffreddamento (sebbene possa diventare anche un po’ più dura di prima se qualche plastificante viene rilasciato). Per ottenere le migliori bolle, bisogna masticare finché tutti gli zuccheri sono stati rilasciati ed è rimasto solo il polimero elastico di base: lo zucchero non è un polimero , non si allunga, e può provocare l’afflosciamento prematuro delle bolle.

Quindi, torniamo alla domanda iniziale: perché il chewing gum si attacca così bene alla maggior parte delle superfici? La scienza dell’adesione è complessa (vedere il box) e nel caso del chewing gum , probabilmente coinvolge sia effetti meccanici che legami chimici. Tuttavia, qualunque sia il meccanismo dell’adesione, le due superfici devono essere in stretto contatto, per ‘bagnarsi’ a vicenda (il termine ‘bagnare’ definisce il contatto tra un liquido ed una superficie solida, che risulta da interazioni intermolecolari) prima di aderire. Il chewing gum morbido assolve il compito perfettamente. E una volta che si è attaccato, l’energia che voi impiegate per tirarlo via non porta alla rottura dei legami che uniscono saldamente la gomma alla superficie (come voi vorreste), invece cos’ facendo voi riuscite solo a far allungare e scorrere le molecole di polimero all’interno della gomma. Questa è una proprietà generale dei polimeri (al di sopra di una certa temperatura): le lunghe molecole aggrovigliate tendono ad avere tante anse o curve che possono essere leggermente raddrizzate esercitando su di loro una certa trazione. (si può fare una verifica sperimentale in classe dell’allungamento dei polimeri utilizzando dei sacchetti di polietilenew8). Quindi, in che modo queste conoscenze ci aiutano ad ottenere un chewing gum che sia meno appiccicoso?

Adesione

Ci sono molti modi in cui le cose si attaccano fra loro. Questi comprendono:

  • Collegamento meccanico, come quello che si ha con il Velcro o con le colle che scorrono all’interno di incrinature e fessure del substrato e quindi induriscono, saldandosi fisicamente ad esso.

  • Attrazioni intermolecolari (es. legami idrogeno e forze di Van der Waals). I gechi sono noti per la loro capacità di muoversi rapidamente su pareti verticali lisce (persino sul vetro). Ciascuna delle loro zampe è ricoperta da circa 500 000 peli, che aderiscono alle superfici medianti deboli forze di Van der Waals (Autumn et al, 2000). L’adesione di una zampa di geco alla parete deve necessariamente essere reversibile (immaginate il povero geco se non lo fosse), così questa è una buona strategia: le forze sono deboli, ma l’effetto cumulativo di 500 000 peli non lo è; staccando la zampa dalla superficie, il geco può spezzare le forze a poco a poco.

  • La formazione di legami chimici (formazione di legami covalenti o ionici). I mitili, che diversamente dai gechi non sono creature molto mobili, si attaccano saldamente alle rocce in mari in tempesta usando legami covalenti un po’ più forti. E alcune colle formano legami covalenti o ionici con le superfici, sebbene i dettagli precisi sono in genere dei segreti industriali.

  • Interdiffusione all’interfaccia. Questo generalmente porta ad una adesione fortissima, poiché i due materiali vengono mescolati a livello molecolare. Molti materiali interdiffondono in qualche misura – due polimeri simili ad una temperatura moderata interdiffonderanno, ed il processo è importante nei contatti metallo-metallo e metallo-ossido metallico.

  • Attrazioni elettrostatiche. I ricercatori dell’ US National Institute of Standards and Technology (NIST) stanno attualmente esaminando la possibilità di utilizzare cariche elettrostatiche per legare dei semiconduttori.

Ridurre la deformabilità del chewing gum non è una strategia ragionevole: chi vorrebbe masticare una palla elastica? Invece, il Professor Cosgrove ha incorporato un polimero idrofilo (che ha affinità per l’acqua) nella gomma base. Quando la gomma viene masticata, il polimero idrofilo assorbe la saliva e ammorbidisce la gomma. Esso inoltre migra verso la superficie. Questo significa che c’è sempre un sottile strato d’acqua sulla superficie del pezzo di chewing gum masticato. Questo strato d’acqua persistente si pone tra la gomma e qualunque superficie, impedendo uno stretto contatto e impedendo alla gomma di attaccarsi. Semplice? Non proprio. Se si aggiungesse semplicemente un polimero idrofilo, esso non si mescolerebbe con la gomma base (proprio come non si può mischiare olio ed acqua). Invece, bisogna utilizzare un copolimero (un polimero costituito da due tipi di monomeri, o unità costitutive) che presenta sia parti idrofile che idrofobe; anche questo deve essere aggiunto attentamente per evitare una separazione di fasew9. I produttori di vernici usano uno stratagemma simile; mischiano i polimeri elastomeri, che seccando diventeranno una copertura resistente all’acqua, con l’acqua, utilizzando appunto questo tipo di copolimerow10.

L’aggiunta del copolimero idrofilo ha un altro vantaggio. Il normale chewing gum è piuttosto resistente nell’ambiente: non si scioglie sotto la pioggia e l’esposizione agli agenti atmosferici tende ad indurirlo, e questo lo rende un inquinante molto persistente (pensate a quelle bolle grigie sul marciapiede!). Invece, la gomma contenente un polimero idrofilo (il tipo di chewing gum non appiccicoso) si disintegra lentamente in presenza di acqua.


Immagine gentilmente concessa da iStockphoto

Sebbene il copolimero utilizzato nel chewing gum non appiccicoso sia stato brevettatow11, il team di ricerca sta ancora perfezionando l’esatta composizione della sua gomma base. A tutt’oggi sono state testate più di 200 diverse formulazioni – penso che Violet Beauregarde sia stata una dei loro primi dipendenti (leggete Charlie e la Fabbrica di Cioccolato di Roald Dahl). In aggiunta ai soliti parametri polimerici quali il peso molecolare, il grado di ramificazione e la densità di legami incrociati, la squadra di ricercatori deve ottimizzare il suo “schizofrenico” copolimero idrofilo/idrofobo. Con un polimero che ama troppo l’acqua la gomma potrebbe risultare troppo soffice. Basterebbe un’errata composizione e la gomma potrebbe disgregarsi in bocca oppure appiccicarsi ancora alle superfici. Il gruppo di ricerca sembra confidare sul fatto che il prodotto sarà pronto per la commercializzazione in un prossimo futuro. Sto facendo gli scongiuri affinché abbia successo – altrimenti potremo solo mettere dei rivestimenti antiaderenti sulla superficie inferiore dei banchi di scuola!

Ringraziamenti

Vorrei ringraziare il Professor Cosgrove per le utili discussioni e per la lettura critica di questo manoscritto.

Riferimenti bibliografici

Autumn K et al (2000) Adhesive force of a single gecko foot-hair. Nature 405: 681-685. doi: 10.1038/35015073. Scaricate gratuitamente l’articolo qui, oppure abbonatevi a Nature: www.nature.com/subscribe

Nell’amatissimo libro per bambini di Roald Dahl, Charlie e la Fabbrica di Cioccolato, Violet Beauregarde è un’odiosa bambina dipendente dal chewing gum:

Dahl, R (2007 and earlier) Charlie and the Chocolate Factory. Puffin Books, London, UK. ISBN 978-0141322711

Fonti sul web

w1 – Maggiori informazioni sulle ricerche del Professor Cosgrove sono reperibili sul sito web dell’Università di Bristol: www.chm.bris.ac.uk/pt/polymer/introduction.shtml

w2 – Un divertente video del Professor Cosgrove che tenta di rimuovere il chewing gum dalle scarpe (‘Test delle scarpe’) si può trovare all’indirizzo www.revolymer.com

w3 – La storia della scoperta di Sarah può essere letta qui: www.derby.ac.uk/press-office/news-archive/heres-a-story-to-get-your-teeth-into

w4 – Per saperne di più sulle piante che producono gomma e chicle e sui loro polimeri, vedere:

http://waynesword.palomar.edu/ecoph13.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Chicle

http://en.wikipedia.org/wiki/Terpene

w5 – Una bella attività didattica concernente il cambiamento delle proprietà dei polimeri e delle materie plastiche (attività numero 3.1.5) può essere scaricata dal sito web della Royal Society of Chemistry (UK): www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational

w6 – Siti web informativi sull’esperimento con alcol polivinilico e sodio tetraborato (borace) includono:

www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational (in modo particolare l’esperimento 3.1.8, ‘Investigating cross-linking, making slime’)

www.iop.org/activity/education/Events/
Events%20for%20Teachers/Schools%20Physics%20Group/file_5747.doc

http://pslc.ws/macrog/activity/ball/lev3/level3p.htm

w7 – È possibile saperne di più sulle basi del chewing gum sul sito web del Gumbase: www.gumbase.com

w8 – Un’interessante attività didattica (esperimento 3.1.6, ‘Borse di polietilene’) per capire la deformazione dei polimeri è reperibile sul sito web della Royal Society of Chemistry: www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational

w9 – Un video sulla produzione della gomma base (‘Making clean gum’) può essere visto qui: www.revolymer.com

w10 – I copolimeri del polivinilacetato (un polimero insolubile in acqua) con il polivinilalcol (un polimero idrofilo) vengono impiegati nelle vernici, e sono ben descritti qui: http://pslc.ws/macrog/pva.htm

w11 – Il Brevetto (WO/2006/016179, ‘Polymeric materials having reduced tack, methods of making the materials and chewing gum compositions containing such materials’ (‘Materiali polimerici aventi adesività ridotta, metodi di produzione e composizioni di chewing gum contenenti tali materiali’) può essere visualizzato sul sito web del World Intellectual Property Organization (Organizzazione Mondiale della Proprietà Intellettuale): www.wipo.int/pctdb/en/
wo.jsp?wo=2006016179&IA=WO2006016179&DISPLAY=STATUS

Fonti

Per un’attività didattica sul dosaggio dell’acido citrico nel chewing gum vedere:

Gadd K, Szalay L (2008). Aromi da masticare. Science in School 8: 34-37. www.scienceinschool.org/2008/issue8/chewinggum/italian

Se volete seguire i suggerimenti dell’esperto per un’attività di test sul chewing gum, perché non dare un’occhiata all’attività di assaggio del cioccolato su Science in School?

Schollar J (2006). The chocolate challenge. Science in School 2: 29-33. www.scienceinschool.org/2006/issue2/chocchallenge

Per interessanti letture sull’industria del chewing gum, vedere:

Redclift M (2004) Chewing Gum: The Fortunes of Taste. New York, NY, USA: Routledge. ISBN: 9780415944182.

e ‘Tutto sul Chewing Gum’: www.wrigley.com/wrigley/kids/kids_report.asp


Recensione

Per gli insegnanti ecco un nuovo metodo per diventare popolari tra gli studenti: acquistare una gran quantità di chewing gum di tipo diverso! Lasciate che gli studenti facciano gli esperti valutando differenti marche – magari dando valutazioni su diverse proprietà come la masticabilità, durata del rilascio del sapore, e la consistenza. Leggete l’articolo e discutete le espressioni chimiche che vengono utilizzate. Infine – provate a produrre il vostro chewing gum facilmente rimovibile.
Sølve Tegner Stenmark, Norvegia

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