INRIM, la scienza delle misure – di Andrea Di Salvo

L’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica è nato a Torino nel 2006

di Andrea Di Salvo

Chilogrammo

Campione nazionale di massa custodito presso INRIM. Si tratta della copia del chilogrammo che si trova a Parigi al Bureau International del Poids et Mesures

Chiunque di noi, nella propria vita quotidiana, ha a che fare con delle grandezze fisiche. Basti pensare a una lunghezza da percorrere o a una massa da sollevare oppure ancora al tempo. Perché ha senso dire un’espressione come “vorrei avere più tempo”? Perché è una grandezza misurabile. La metrologia è la scienza delle misure che fornisce standard di riferimento, tecniche e strumenti per definire quelle unità campione, dette unità di misura, necessarie per quantificare ad esempio una distanza o un’intensità luminosa.
A Torino, nel 2006, è nato l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) che si occupa proprio di assicurare l’affidabilità e l’accuratezza ad ogni misurazione. Deriva dall’unione dell’Istituto Galileo Ferraris e dell’Istituto del C.N.R Gustavo Colonnetti. Il primo venne istituito con un regio decreto-legge del 4 ottobre 1934, su un’intuizione precedente del 1882 di Galileo Ferraris, poi ripresa tardivamente. Le attività dell’Istituto partivano dalla metrologia elettrica e dalle misure del tempo includendo quelle di ottica, fotometria, acustica e studio dei materiali. Nel 1968 le grandezze meccaniche e termiche passarono allo studio dei laboratori dell’istituto dedicato a Gustavo Colonnetti, ingegnere e matematico, nonché il più giovane rettore del Politecnico di Torino.

Laboratorio di metrologia alimentare

Laboratorio di metrologia alimentare

Attualmente l’INRIM impiega duecento ricercatori che hanno a disposizione cinquanta laboratori, sia per le attività di metrologia tradizionale – fornendo per esempio, nell’ambito delle misurazioni di tempo, il segnale orario Rai, generato e inviato ogni minuto alla sede torinese della Rai – sia per le nuove metrologie.
Andrea Mario Rossi, responsabile del programma di Metrologia Alimentare, chiarisce come l’attività di misura moderna abbia un’origine davvero antica: “Il concetto della misura ha seguito l’evoluzione dell’uomo, in quanto le misure nascono, all’inizio, come misure di tipo antropomorfo: le parti del corpo venivano usate per misurare le cose, da cui il dito, il pollice, il palmo. Questo perché se c’era bisogno di misurare qualcosa, le parti del corpo erano le più disponibili. Nelle evoluzioni successive, intorno al 2000 a.C., quindi nel periodo egizio, il concetto di misura e di unità di misura prende un po’ più piede con la realizzazione del cubito. Il cubito era la distanza che intercorreva tra il gomito e la punta del dito medio del faraone. Con le problematiche legate alla morte dei faraoni, alla fine si realizzò il cubito reale, che si può trovare anche al Museo Egizio di Torino: è una stecca delle dimensioni di circa 50 cm. Quindi si passò dalla parte del corpo a un’unità di misura un po’ più durevole e riproducibile. Successivamente si giunse alla determinazione di sostanze liquide nel periodo greco, con le anfore, poi ai volumi delle sostanze secche: erano in pratica dei barattoli dove venivano contati i semi messi dentro. Un’unità di misura che tuttora utilizziamo per la valutazione della massa d’oro e dei diamanti è il carato: deriva dal seme del carrubo e dalla parola araba qirat. Nel 1875, infine, abbiamo la Convenzione del Metro. All’epoca della rivoluzione francese c’era il detto “un re, una legge, un peso, una misura” – cioè ognuno ne aveva una, perché rappresentava chiaramente un potere, e in quel periodo in Francia ce n’erano ottocento! Quindi c’era bisogno di unificare. Ci volero decenni per arrivare alla Convenzione del Metro, firmata da diciassette stati e che segna la nascita della metrologia. Adesso siamo a cinquantacinque stati firmatari”.
Come si definisce uno standard metrologico?
Uno standard è un oggetto, un sistema oppure un esperimento che ha una relazione ben definita, con un’unità di misura di una grandezza fisica. La definizione di uno standard è un materiale standard di riferimento: viene richiesto che le sue proprietà fisiche siano misurate a livello metrologico, cioè si tratta di dare una misura dell’incertezza, perché non esiste un’unità di misura senza incertezza. Inoltre il metrologo sviluppa anche nuovi metodi di misura, perché magari quelli che ci sono possono anche avere una bassissima incertezza, ma purtroppo non sono applicabili in campo”.
Sulla scia dell’appena conclusosi Salone del Gusto, è di particolare interesse la metrologia alimentare. “Il nostro obiettivo come gruppo al lavoro da anni, continua Rossi, è di dare una riferibilità delle misure anche in campo alimentare. Se ho bisogno di controllare un camion che trasporta derrate alimentari lungo una strada, non è possibile mandare il materiale al laboratorio specializzato, aspettare il risultato e mandarlo indietro. Quindi è necessario fornire degli strumenti di misura che magari non sono eccessivamente sensibili, quindi con un’incertezza maggiore, ma che possono essere applicati in campo. Nell’ambito alimentare noi andiamo a cercare in un alimento un’impronta, qualcosa che lo identifichi rispetto a un altro, soprattutto se parliamo di una provenienza d’origine. È difficile perché chiaramente la prima regola dello standard è che sia stabile nel tempo e già di per sé gli alimenti non lo sono molto. Però il punto è che noi vogliamo identificare e consumare un prodotto di una data zona perché gli attribuiamo noi un valore aggiunto: se vogliamo prendere il formaggio di fossa anziché il Castelmagno o una nocciola tonda gentile delle Langhe, vogliamo essere sicuri che sia effettivamente quella perché a quell’alimento è attribuito un valore diverso”.
Come si fa?
Cerchiamo di trovare un’impronta chimica: facciamo una foto chimica dell’alimento e vediamo se ha delle caratteristiche che si possano monitorare, per cui magari le uve cresciute in una determinata zona hanno effettivamente una differenza rispetto alle uve cresciute in un’altra. Una ricerca che abbiamo fatto con la spettroscopia Raman è stata quella di riconoscere diversi vini a base Nebbiolo, però di diverse zone: avevamo il Barolo e il Barbaresco della zona della Langa, il Ghemme e il Gattinara del Novarese e il Carema della zona di Ivrea e abbiamo visto che hanno un’impronta chimica diversa dovuta probabilmente alla zona di provenienza. Questo, per un Paese come il nostro dall’elevata biodiversità, oltre a un elevato valore aggiunto qualitativo può avere un impatto commerciale. Un altro studio che abbiamo fatto è con i formaggi derivati dagli alpeggi: una vacca che ha pascolato in un alpeggio automaticamente seleziona un certo tipo di erbe le cui caratteristiche vengono trasferite nel latte. Facendo un’impronta chimica di quest’ultimo noi andiamo a identificare la differenza del latte di alpeggio rispetto a un latte proveniente da un’altra zona. Il formaggio che ne deriva ha chiaramente dei costi diversi e può essere definito un formaggio d’alpeggio con un valore economico diverso”.
Che cos’è la spettroscopia Raman e in che modo riesce a determinare la provenienza dei prodotti e la loro classificazione?

Per fare queste cose ci sono varie tecniche. La spettroscopia Raman usa una radiazione elettromagnetica, un laser, per colpire la sostanza che vogliamo analizzare. Ne raccogliamo la luce diffusa che sostanzialmente ha due componenti: una elastica, detta Rayleigh scattering, della stessa lunghezza d’onda della luce incidente; e una anelastica, cioè una componente di energia diversa. Questa energia diversa vuol dire che il materiale ha assorbito oppure emesso un’energia caratteristica degli elementi chimici che la compongono. Materiali diversi hanno picchi diversi e in più materiali uguali, ma provenienti da zone diverse, possono avere dei picchi diversi in intensità. Andando a fare delle analisi matematico-statistiche, siamo in grado di determinare una data zona di provenienza oppure come è fatto il campione, quindi la sua storia”.
Quali vantaggi comporta?
Questo tipo di tecnica è non distruttiva, è immediata e portatile, quindi si possono fare le analisi in campo. Indicativamente si può fare un’analisi anche attraverso un contenitore, perciò se analizziamo un vino teoricamente possiamo anche non aprirlo. Cerchiamo di trattare il meno possibile il campione. Il vantaggio è anche legato allo sfruttamento di una possibile banca dati di prodotti alimentari o quant’altro per cui, in futuro, sarà magari possibile fare una fotografia a qualunque oggetto e identificare quel prodotto”.

Panoramica del campus INRIM

Panoramica del campus INRIM

Esiste anche la tecnica dell’attivazione neutronica: in costa consiste e come è in grado di rilevare la presenza di contaminanti?
L’attivazione neutronica è una tecnica che a differenza di quella Raman utilizza un reattore nucleare, quindi non è portatile. Si bombarda il materiale con un flusso di neutroni, detti lenti o termici. I nuclei atomici catturano questi neutroni liberi e quindi diventano più pesanti, passando a uno stato eccitato. Il nucleo a questo punto, così eccitato, deve decadere mediante l’emissione di particelle alfa e beta. Andando a leggere la quantità di radiazione emessa è possibile risalire alla quantità di materiale presente che caratterizza la sostanza. Non si può misurare tutto perché per esempio il piombo di per sé è un materiale che scherma la radioattività, pur essendo un materiale tossico. Sono comunque una settantina gli elementi fotografabili con questa tecnica. È un’analisi molto sensibile, con pochi casi di falsi negativi, infatti è in grado di individuare delle presenze cosiddette in traccia dei componenti. L’attivazione neutronica è anche ottima per la provenienza d’origine, in quanto è molto sensibile a elementi quali le terre rare che sono caratteristiche di zone particolari dell’Italia: se queste vengono incorporate nell’alimento, possiamo stabilirne la provenienza geografica”.
Gli insetti potrebbero costituire il nutrimento del futuro: come può la metrologia contribuire a una regolamentazione del settore?
In Italia manca ancora una normativa riguardo alla commercializzazione degli insetti. Si sta lavorando in collaborazione con l’Istituto Zooprofilattico di Torino e l’Università affinché possano essere utilizzati nell’alimentazione animale. Per questo occorre fare una serie di analisi perché la preoccupazione è che l’insetto che consuma del cibo contaminato da elementi tossici possa incorporarli e quindi farli entrare nella catena alimentare. Il problema è capire questo e il metrologo lo fa quantificando bene una quantità di contaminante posto su un alimento. Vengono quindi introdotti degli insetti che se ne nutrono e a questo punto si studiano gli insetti medesimi per vedere se hanno incorporato o meno quelle sostanze. Un’altra cosa che si fa è determinare anche le specie degli insetti. Queste si possono differenziare in base ad alcuni elementi caratteristici, perché magari incorporano più un elemento rispetto a un altro, crescendo e nutrendosi di cose diverse. Il problema è il riconoscimento: quando l’insetto è tritato e ridotto a farina, è difficile capire di quale specie si tratti. Abbiamo quindi fatto delle misure anche per quanto riguarda le farine animali e cerchiamo di mettere in atto dei metodi in grado di discriminarle”.

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