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AMBITO: Fisica, Biologia, Medicina, Sociologia
STATO:  ATTIVO 

 

Ibercivis è un progetto multidisciplinare nato in Spagna che, dopo una prima fase di "lancio", si è attualmente esteso a collaborazioni con centri di ricerca portoghesi e sudamericani.

 

 






Si ringraziano per la realizzazione di queste pagine: baxnimis, gian82, giusy e itarus2010

Per ulteriori informazioni visitate il thread ufficiale presente nel nostro forum.


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Adsorcion (completato)
 
 
 
Il comportamento dei fluidi confinati negli spazi ridotti è un fenomeno di grande interesse per la Fisica. Con le stesse condizioni ambientali, il comportamento di un fluido confinato nello spazio di una molecola è molto diverso dal comportamento in uno stato omogeneo. Per esempio, il fluido confinato può arrivare a possedere una densità maggiore, oppure stare in uno stato di aggregazione (liquido, gassoso, etc) diverso da quello del fluido in condizioni normali. In questi casi, la struttura che confina il fluido è il poro del materiale e il processo di cattura del fluido riceve il nome di adsorbimento.
iber adsor 1A differenza dell'assorbimento, in un processo di adsorbimento il fluido non si incorpora al volume del materiale, ma rimane sulla sua superficie.
l'immagine esemplifica la differenza fra i due processi



Ricercatori del Instituto de Quimica-Fisica Rocasolano del CSIC studiano le proprietà di adsorbimento delle argille PILCS (Pillared clays) che, come altri materiali porosi, possiedono una grande importanza industriale come catalizzatori, materiali per immagazzinare gas e materiali utilizzati in processi di separazione. Questo tipo di argille s'impiega in processi come la produzione di biofuel a partire da grassi vegetali, l'immagazzinamento di gas naturale a temperatura ambiente o l'immagazzinamento di gas ad effetto serra prodotti dalle industrie.
Le argille PILCS sono formate da lamine multiple separate ad una distanza fissa. Fra le lamine si trovano in forma casuale delle molecole chiamate pilastri (pillars).iber adsor 2
immagine 1: struttura cristallina del zeolite ZSM-11 nella quale si possono vedere i 'vuoti' nei quali passano le molecole di gas. Immagine2: Altra immagine della struttura cristallina del zeolite ZSM-11, dove si possono vedere le gallerie cilindriche dentro il materiale. Immagine 3: canali di un zeolite che si riempono di molecole di gas rappresentate da sfere azzurre. Immagine 4: Rete dei canali tridimensionali di un zeolite.


In Ibercivis, ogni WU di Adsorcion inviata ai computer dei volontari esegue la simulazione di adsorbimento di un fluido a determinate condizioni ambientali in un una configurazione di pilastri determinata.
La simulazione, utilizzata in congiunto con le leggi della fisica e le misure sperimentali, permette di fare delle costruzioni ideali che riproducono aspetti e comportamenti dei sistemi fisici reali. Queste costruzioni, che ricevono il nome di modelli fisici, ci aiutano a comprendere i meccanismi per i quali sono governati e ci permettono di fare previsioni sul loro comportamento.
Grazie alle simulazioni realizzate dai computer dei volontari si stanno ottenendo preziose informazioni sul volume accessibile delle molecole dei fluidi e le proprietà catalitiche delle argille in un tempo molto inferiore a quello che esigerebbero i calcoli se fatti su un solo computer.


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Amiloide (completato)
 
 
 
Le malattie amiloidi degenerative sono un gruppo che include fra le altre il morbo di Alzheimer, il morbo di Parkinson, la polineuropatia amiloide familiare (FAP, conosciuta anche come amiloidosi) e altre malattie come la encefalopatia spongiforme trasmissibile (comunemente conosciuta come "morbo della mucca pazza") o degli esseri umani (morbo di Creutzfeldt-Jakob). Tutte queste malattie si caratterizzano per la formazione di aggregati di proteina e fibra (l'amiloide) tossici per le cellule del sistema nervoso e per questo responsabili dalla neurodegenerazione osservata nei pazienti.



iber amil 1Il morbo di Alzheimer è una malattia degenerativa del sistema nervoso centrale, caratterizzata dalla perdita progressiva della memoria e dal deterioramento delle funzioni cognitive che colpisce oggi milioni di persone in tutto il mondo.
La Polineuropatia amiloide famigliare (FAP) è una malattia degenerativa del sistema nervoso periferico che si caratterizza inizialmente con dei cambi nella sensibilità alla temperatura e al dolore delle estremità e progredisce con uno stato di debolezza fisica e complicazioni multiple. Ci sono vari focolai di malattia nel mondo; il Portogallo è uno dei principali. Il PAF fu identificato negni anni '50 dal Professore Corino de Andrade (1906-2005) e da allora gli sforzi per identificare la malattia e per la ricerca di soluzioni terapeutiche portati avanti dagli scienzati portoghesi e di altri paesi in tutto il mondo sono stati costanti.
Attualmente, le malattie amiloidi non hanno cura. Tuttavia, nel caso del morbo di Alzheimer, esistono vari farmaci che migliorano i sintomi e riducono il ritmo di progressione della malattia. Nel caso del PAF l'unico trattamento che, finora, si è dimostrato efficace è il trapianto di fegato, giacchè il fegato è il principale luogo di sintesi delle proteine (TTR, trastiretina) responsabili della formazione dell'amiloide in questa malattia. Il premio Gulbenkian di Scienza 2009, pubblicato il 20 luglio 2009, verrà consegnato a Maria Joao Saraiva, ricercatrice del Instituto de Biologia Molecular y Celular (IBMC) e cattedratica nel Instituto de Ciencias Biomedicas Abel Salazar della Universidad de Porto, per il suo lavoro nella ricerca dei meccanismi genetici e biochimici responsabili della malattia.
nell'immagine: stabilizzatori ttr



Il progetto Amiloide sviluppato sulla piattaforma di calcolo distribuito Ibercivis intende trovare composti che possano interferire con la produzione di aggregati e fibre di amiloidi nelle malattie neurodegenerative come la PAF e il morbo di Alzheimer. Questo progetto computazionale è parte di uno sforzo continuativo della biologia strutturale e in particolare del Centro de Neurociencia Computacional y Biologia Celular (CNC) dell'Università di Coimbra, impegnato nella identificazione dei meccanismi molecolari della formazione di amiloide con la partecipazione e le collaborazioni scientifiche di vari ricercatori stranieri.
Nel caso specifico della FAP una delle strategie del progetti Amiloide è quella di ricercare composti non tossici che stabilizzino la forma tetramerica normale della proteina transiretina, inibendo così la formazione degli amiloidi. La simulazione computazionale serve per determinare l'affinità molecolare fra un bersaglio (in questo caso, la proteina TTR) e ognuno dei composti candidati. Questi calcoli di aggancio molecolare fra la proteina bersaglio e milioni di piccoli composti con potenziale farmacologico-chimico vengono eseguiti nei computer dei volontari che partecipano al progetto Amiloide di Ibercivis.


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Bindsurf
supportato da: Grupo de Investigación de Arquitectura y Computación Paralela de la Universidad de Murcia (http://www.um.es/gacop); Grupo de Investigación de Bioinformática y Computación de Alto Rendimiento de la Universidad Católica de Murcia San Antonio (http://bio-hpc.eu).
I metodi di screening virtuale possono aiutare considerevolmente nella scoperta di nuovi farmaci e nella ricerca clinica, predicendo come i ligandi interazionano con determinati bersagli terapeutici. la maggior parte dei metodi di screening presuppongono l'estistenza di un unico sito di unione con la proteina, che normalmente è derivata dall'interpretazione dell'informazione cristallografica disponibile sulla proteina stessa. In realtà si è dimostrato che ciò non è corretto, e che in molti casi ligandi differenti possono interazionare con parti diverse della proteina, e la maggiorparte dei metodi esistenti, inclusi quelli di natura commerciale, di screening virtuale non tengono conto di ques'effetto.
Per risolvere questo problema è stato sviluppato BINDSURF, un nuovo metodo di screening virtuale che analizza in dettaglio la superificie della proteinaper cercare potenziali zone d'interazione dove i ligandi possano interagire, è che è stato progettato e implementato in un hardware parallelo come la GPU, il che permette analizzare rapidamente e in modo efficiente grandi librerie di ligandi.
Le predizioni ottenute con BINDSURF possono essere inoltre guidare l'applicazione successiva di altri metodi di screening virtuale in altre zone della proteina caratterizzati da altri metodi di screening virtuale in zon della proteina già caratterizzate da questo metodo, quindi il suo utilizzo aiuta nella scoperta e nella progettazione di farmaci, nel riposizionamento delle molecole e nella ricerca clinica.

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Biosoft

Negli ultimi anni, la ricerca biomedica ha sviluppato nuove strategie per liberare i farmaci nel corpo umano in modo controllato per combattere problemi come la rigenerazione dei tessuti danneggiati o il trattamento del cancro. Una di queste strategie si basa sulla degradazione di fibre polimeriche nanometriche che rinchiudano i farmaci al suo interno. Man mano che le fibre si degradano, queste liberano i farmaci contenuti nel suo interno in una forma controllata. La velocità di liberazione del farmaco dipende da molti fattori, fra cui la geometria iniziale della fibra, la distribuzione del farmaco dentro di esso o il polimero impiegato.

Tramite l'impiego di simulazioni si vuole generare dei modelli tridimensionali validi per riprodurre e predirre i comportamenti reali dipendenti dal tipo di polimero e la localizzazione dei farmaci nel suo interno. Per questo, si devono applicare strutture tridimensionali in piccoli elementi cubici e si applicano algoritmi Monte Carlo già sviluppati per simulare la degradazione del polimero, e la conseguente liberazione di detti farmaci.

http://www.ibercivis.es/wp-content/uploads/2013/06/biosoft.png

La sensibilità dei risultati di fronte alle condizioni iniziali delle simulazioni rende imprescindibile la realizzazione di un'infinità di simulazioni di piccole dimensioni per ottenere valori statisticamente rappresentativi. I risultati utili di ognuna di queste simulazioni si riducono a pochi dati che, una volta confrontati, permettono l'ottenimento di conclusioni di speciale rilievo. Questi fattori generali, insieme ai requisiti computazionali di memoria, tempo di calcolo e trasferimento di dati, sia come sua ripercussione sociale, rendono tale investigazione una candidata idonea per la sua integrazione nella piattaforma Ibercivis.ibercivis biosoft polimero

Nell'immagine: raffigurazione tridimensionale di una fibra polimerica contenente del farmaco.

 
 

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Criticalidad (completato)
 
 
Un frattale è un oggetto geometrico la cui struttura di base si ripete su scale differenti. Gli oggetti frattali possono essere naturali o artificiali (frattali matematici). Esempi di frattali naturali sono le linee costiere, le ramificazioni dei fiumi, i profili delle montagne, i cavolfiori, ecc... La caratteristica principale di questi frattali è l'autosimilarità approssimata. I frattali matematici sono invece generati da un algoritmo ricorsivo e presentano gli stessi identici dettagli a ogni scala di osservazione. Hanno la proprietà dell'autosimilarità esatta.

Lo studio delle proprietà dei sistemi disordinati è stato un tema di ricerca molto attivo per più di 50 anni. Uno degli aspetti più affascinanti di questi sistemi, in più di due dimensioni, è l'apparizione della transizione di fase metallo-isolante al variare dell'ampiezza del disturbo. Questa transizione è conosciuta come transizione di Andreson.Nella fase metallica gli stati interni del sistema sono estesi, consentendo al il sistema di comportarsi da conduttore. Nella fase isolante, gli stati interni sono molto localizzati. Il punto di transizione metallo-isolante, in cui avviene la transizione da stati estesi a stati localizzati, è caratterizzata da numerose proprietà critiche; per questo viene appunto detto punto critico. Nel punto critico gli stati sono frattali con autosimilarità statistica. Nel punto di transizione il sistema non è né metallo né isolante e le proprietà di conduttività sono anomale.iber crit 1nell'immagine: esempio di stato interno secondo il modello di Anderson tridimensionale nel punto di transizione metallo-isolante. Nel punto critico gli stati sono frattali che, a differenza dei frattali naturali (con autosimilarità approssimata) e del frattali matematici (con autosimilarità esatta), mostrano autosimilarità statistica. Da notare come lo stato critico è racchiuso nel cubo, senza fuoriuscirne. Per questo gli stati critici hanno una dimensione effettica (dimensione frattale) minore della dimensione reale del sistema, che in questo caso è 3. (Immagine da L. J. Vasquez, A. Rodriguez, and R. A. Roemer, Phys. Rev. B 78 195106 (2008).
 

Il progetto Criticalidad studia gli effetti della frattalità degli stati critici nelle proprietà di conduttività elettrica attraverso sistemi nella transizione di Anderson. In particolare, si studieranno le proprietà di riflessioen e conduttanza e i relativi valori statistici (distribuzione, varianza, media, rumore quantico, ecc...) in funzione di alcuni parametri del sistema (dimensione, ecc..).
iber crit 2Nell'immagine: matrice tridimensionale di siti accoppiati con i loro vicini più prossimi, conosciuta anche come modello tridimensionale di Anderson. In questo esempio la dimensione lineare del sistema è L=3, mentre il volume totale è L3=27. Ogni sito rappresenta un atomo o molecola in una rete cristallina finita. Il disordine del modello si incontra nei valori aleatori assegnati a ognuno dei siti. La faccia sinistra del cubo interagisce con gli elettroni che si disperderanno o saranno esplsi all'esterno della rete cristallina.

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Cuanticables (completato)
 
 
Da anni, stiamo assistendo ad una crescente miniaturizzazione nei dispositivi elettronici di uso domestico. Tale riduzione di dimensioni è stata possibile grazie alla corrispettiva riduzione dei componenti che fanno parte dei circuiti e gli elementi interni agli stessi. Così, mentre i primi transistor avevano una dimensione di diversi centimetri, i transistor moderni non superano dimensioni di qualche millimetro. Questi progressi sono stati possibili grazie al miglioramento nelle tecniche di fabbricazione e manipolazione dei materiali semiconduttori. All'interno della comunità scientifica, oggi si pensa a fare un ulteriore salto qualitativo nel processo di miniaturizzazione, mediante l'utilizzo di cavi e componenti che contengano solamente alcune particelle di materiale per fabbricare dispositivi in scala nano o micrometrica.

iber cuanti 1 nell'immagine: un semiconduttore nanometrico
Dal punto di vista della scienza di base, questo campo offre scenari interessantissimi, in quanto a dimensioni così piccole il comportamento delle particelle è regolato dalle leggi della meccanica quantistica. In questo modo, in questi piccoli cavi e dispositivi, gli elettroni che trasportano le correnti manifestano alcune caratteristiche spettacolari della natura quantistica. In particolare, come conseguenza della dualità particella-onda, gli elettroni possono presentare effetti d'interferenza nel suo movimento, simili a quelli che presenta la luce.


La sfida della scienza dei materiali implica il miglioramento delle tecniche come la nanolitografia, che permette di stampare circuiti in piccola scala su substrati semiconduttori; quella della rottura di giunzioni, che permette di fabbricare contatti di scala atomica e la fabbricazione, manipolazione e assemblaggio affidabile di nuovi materiali come il grafene, i nanotubi di carbonio e i superconduttori.


iber cuanti 2nell'immagine: cavi quantici
L'obiettivo di Cuanticables è quello d'analizzare in quale modo i difetti dei materiali affliggono la capacità di un cavo quantico di condurre la corrente. Con questo scopo, i ricercatori della Universidad de Buenos Aires hanno sviluppato un modello teorico che simula il cavo quantico, le impurezze e gli elettrodi ai quali si connette il cavo quantico. Studiano in questo ambito il comportamento della corrente che si genera attraverso il cavo quando gli si applica un voltaggio esterno e si concentrano nel comprendere il ruolo delle impurità, giacché questo ingrediente è sempre presente nei materiali reali.

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Docking (completato)
 
 
 
iber dock 1Tutti i medicinali includono nella loro composizione una sostanza chimica chiamata principio attivo (o più genericamente "ligando") che è responsabile dell'azione di tale medicinale. Il resto dei componenti, chiamati eccipienti, sono fondamentalmente sostanze inattive il cui scopo è, fra l'altro, assicurare che il principio attivo arrivi a destinazione.
Queste destinazioni sono normalmente localizzate sulla superficie o all'interno dei cosiddetti recettori, come le proteine e gli acidi nucleici. Alla fine del viaggio, il principio attivo deve legarsi al recettore. Questo processo, denominato docking (collegamento, legame) è molto complesso e chiama in causa una serie di processi chimici e fisici che governano la quantità di energia consumata o liberata durante il processo.


Conoscere a fondo i processi di interazione delle proteine negli esseri umani è assolutamente cruciale per lo sviluppo di medicinali contro gravi malattie come il cancro. I ligandi sono piccole molecole in grado di modificare le proprietà delle proteine con effetti terapeutici. Grazie a Ibercivis, i ricercatori del Centro di Biologia Molecolare Severo Ochoa (CSIC-UAM) simulano il docking di alcune proteine con numerosi ligandi in modo da identificare le molecole più promettenti per una futura analisi sperimentale.
MGMT, una proteina causa di alcuni tipi di cancro resistenti a molti medicinali usati nella chemioterapia, è la prima proteina studiata da Docking in Ibercivis. Lo scopo delle WU è di trovare un ligando inibitore della MGMT.


iber dock 2Identificare un ligando adatto a una proteina è un processo complesso. I ligandi potenziali sono milioni e provarli tutti con ricerche di laboratorio sarebbe impossibile per motivi di tempo e risorse. Per questo sono necessarie impegnative simulazioni virtuali.
Per preparare queste simulazioni è necessario codificare tutti i dati relativi alla configurazione di proteine e ligandi prima di procedere ai calcoli veri e propri. La seconda fase consiste nel valutare l'energia globale necessaria al docking di ogni ligando con una proteina: differenti conformazioni del ligando sono traslate e ruotate per meglio adattarsi alla proteina in oggetto. Minore è l'energia, migliore e più stabile sarà l'interazione fra le due molecole.


Il docking di una singola proteina con un ligando è simulabile in circa 5 minuti di calcoli. Al contrario, prendere in considerazione tutti i possibili ligandi richiederebbe 40 anni cpu su una singola macchina. Solo grazie a Ibercivis e BOINC questo processo può essere condotto in tempi ragionevolmente brevi.

Approfondimento:
 
iber dock more 1Il processo di docking (dall'inglese to dock, agganciare, ormeggiare), è piuttosto complesso e vi entrano in gioco una serie di processi chimici governati da leggi fisiche, fra di esse quelle che riguardano l'energia che si consuma o si libera in un processo.
Evidentemente, affinché l'unione fra un ligando e il suo centro attivo sia energicamente conveniente, il complesso formato da entrambi dev'essere più stabile di ognuna delle due parti separate; questo è il cosiddetto principio dell'energia minima. In altre parole, un'associazione sarà conveniente se i soci guadagnano di più agendo in forma congiunta che agendo in singolo. Conoscere come avviene questa unione, così come la caratterizzazione e la quantificazione dei diversi eventi che accadono in tale processo, è un'area di ricerca in continuo sviluppo, giacché tale conoscenze apporteranno gli elementi necessari a permettere, in teoria, di progettare molecole con la struttura ottimale necessaria affinché la sua attività non sia solamente migliore, ma anche che non produca interferenze con altri centri attivi non desiderati, quello che darebbe vita ai conosciuti "effetti secondari".

Attualmente si dispongono di sofisticate tecniche sperimentali dal quale estrarre l'informazione tridimensionale sia delle proteine che dei ligandi, ossia come sono situati i suoi atomi nello spazio e qual è la disposizione geometrica dell'unione di entrambi. Inoltre, in molti casi, esistono studi farmacologici di questi stessi complessi dove sperimentalmente si calcola quanto costa l'energia d'unione. Di conseguenza, sappiamo come si sono unite le molecole e la convenienza energetica di questa unione. Se si avesse la capacità, a partire da queste strutture tridimensionali e con le leggi chimiche e fisiche che conosciamo, di riprodurre i risultati sperimentalmente, si sarebbe in condizione di poter predire, per qualsiasi altro ligando, come sarebbe la sua unione e quanto costerebbe, prima di effettuare costose prove farmacologiche.

iber dock more 2Nella Unidad de Bioinformatica del Centro de Biologia Molecular "Severo Ochoa" (CBMSO CSIC-UAM) si sta già da vari anni lavorando nella costruzione di una piattaforma informatica che permetta, in modo automatico, di trovare nuovi ligandi con profili farmacologici adeguati al fine di migliorare gli attuali trattamenti di alcune delle malattie con maggiore ripercussione sociale, principalmente il cancro.
Utilizzando biblioteche con milioni di composti chimici (chemioteche) si cercano, con gli algoritmi di docking, quei ligandi che meglio possono legarsi all'interno del centro attivo del recettore scelto. Questo processo viene chiamato setacciamento virtuale (in inglese virtual screening) delle chemioteche. Da questa ricerca possono uscire migliaia di possibili candidati, che devono essere classificati per poter arrivare alla fine ad un numero maneggiabile sperimentalmente, fra 20 e 30. Questa classificazione si fa con le cosiddette funzioni di punteggio che assegnano ad ogni molecola un punteggio determinato basato su come interagisce con il centro attivo. E' qui dove si trova la maggior complessità di tutto il protocollo: trovare funzioni di punteggio che siano sufficientemente veloci (si parla di milioni di molecole) e precise (buona concordanza con i valori sperimentali) per avere un certo margine di successo nello scegliere i migliori candidati. Per questo è necessario contare con computer potenti, o una grande quantità di computer domestici, dove realizzare i calcoli.

In modo molto semplificato, un programma di docking cerca di trovare, per ogni ligando, qual è il miglior incastro (da un punto di vista strutturale ed energetico) all'interno del centro attivo. Per questo necessario esplorare prima tutte le possibili disposizioni (poses, che possono arrivare ad essere milioni) e dopo classificarle. Questo può dare idea della quantità astronomica di calcoli che bisogna fare. Contare con la collaborazione dei volontari che partecipano in Ibercivis (in forma di tempo di CPU non utilizzato delle loro migliaia di computer per realizzare tali calcoli) è di grande valore per agevolare la ricerca di nuovi ligandi ed essere più efficaci nell'ora di combattere malattie come il cancro.



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Fusion (completato)
 
iber fus 1La fusione per confinamento magnetico potrebbe essere una fonte d'energia che risolverà nel futuro alcuni dei problemi che presenta il nostro modello energetico come l'esaurimento dei combustibili fossili e le emissioni di CO2 che aumentano il riscaldamento globale.
La fusione avviene quando si uniscono due nuclei energetici in uno più pesante, processo nel quale si libera una immensa quantità d'energia. La luminosità e il calore delle stelle, per esempio, sono prodotti dalla fusione di atomi d'idrogeno. Nelle stelle, la materia s'incontra in uno stato di plasma, ossia un gas quasi completamente ionizzato.
nell'immagine: processo tipico di fusione degli isotopi dell'idrogeno

A causa della repulsione elettrica dei nuclei atomici - due cariche positive si respingono sempre fra loro -, il plasma dev'essere ad una temperatura altissima affinchè la fusione abbia luogo. Approssimativamente a 100 milioni di gradi centigradi. I reattori di fusione sono macchine complesse che mantengono il plasma lontano dal contatto con le pareti. Questo si ottiene tramite potentissimi campi magnetici e la tecnologia più avanzata. Ad ogni modo, non si sono ancora costruiti dei reattori che mantengano sotto controllo la fusione in modo economicamente vantaggioso.
Il prossimo passo della comunità scientifica sarà la costruzione del reattore ITER (International Termonuclear Experimental Reactor - Reattore Termonucleare Internazionale Sperimentale) nel Sud della Francia, promosso da un consorzio internazionale che investirà 10.300 milioni di euro. ITER vuole dimostrare la fattibilità dell'energia a fusione.



iber fus 2Nell'immagine (da sinistra a destra e dall'alto in basso): Sezione della camera vuota, luogo dove sarà confinato il plasma. Misura approssimativamente 3,5*8 m / 3 bobine superconduttrici che creano il campo magnetico principale, 100 mila volte più forti di quello terrestre / ITER, l'interno del criostato che mantiene le bobine nello stato di superconduttore e, dentro, la protezione che lo isola dall'esterno


La dinamica del plasma è estremamente complessa e attualmente non si è raggiunta la sua piena comprensione. Gli scienziati del Centro de Investigaciones Energèticas Medioambientales y Tecnòlogicas (CIEMAT), che hanno lavorato nel calcolo dei plasmi per lo Stellarator spagnolo TJ-II, e dell'Instituto de Biocomputaciòn y Fisica de Sistemas Complejos (BIFI) della Universidad de Zaragoza realizzano simulazioni di plasmi che si otterranno nel progetto ITER. I computer dei volontari collaborano in questo progetto attraverso Ibercivis, calcolando le traiettorie dei nuclei che compongono il plasma e permettendo quindi di prevedere il suo comportamento generale.
Un computer domestico può impiegare dai 15 ai 30 minuti per calcolare una traiettoria completa. Con molte traiettorie, ci facciamo un'idea dell'aspetto e delle proprietà del plasma all'interno del reattore. Prima o dopo, i nuclei all'interno di ITER scappano. Grazie ad Ibercivis possiamo prevedere come sfuggono (in questo caso, per la parte superiore).

Approfondimento:

iber fus more 1L'attuale modello energetico sul quale si basa il consumo dell'umanità presenta difficili problematiche tanto dal punto di vista ambientale quanto da quello sociale. Le principali fonti di energia sono i combustibili fossili, il petrolio e i suoi derivati, gas e carbone , che rappresentano approssimativamente il 75% del consumo totale. L'energia nucleare riesce a somministrare un 6,5% dell'energia complessiva e le fonti rinnovabili, sotto forma di biomassa, eolica, solare ed idroelettrica, completano il panorama, con poco meno del 20%.

Dal punto di vista ambientale, questo modello porta a conseguenze di vario genere. Il consumo di combustibili fossili dà luogo, ad importanti effetti sul cambio climatico, mentre l'energia nucleare comporta fra le altre problematiche la creazione di pericolosi rifiuti radioattivi. Dal punto di vista sociale, il problema principale è costituito dalla disuguaglianza sia nel consumo che nella distribuzione delle risorse a livello mondiale.
Bisogna tenere in conto che i combustibili fossili sono destinati ad esaurirsi nel medio periodo, quindi, è una priorità cercare nuove fonti di energia che abbiano un basso impatto ambientale e che garantiscano la fornitura durante un lungo periodo. Le fonti rinnovabili sono chiamate a giocare un ruolo decisivo e dovranno essere complementate da altri tipi di fonte, come la fusione termonucleare.

La fusione presenta il vantaggio per il quale, da un lato non genera emissioni di gas serra, dall'altro lato il suo combustibile è praticamente inesauribile. Come principale impatto ambientale c'è da considerare la generazione di residui radioattivi di media e bassa attività. In ogni caso, dato il ruolo che la fusione può giocare nel futuro, questo problema potrebbe essere ammissibile dalla società, soprattutto tenendo in conto che questi residui sarebbero radioattivi durante alcune centinaia di anni.
Oltretutto la fusione non è una reazione a catena, ragion per cui nei reattori a fusione nucleare sarebbe impossibile che si produca un incidente come quello accaduto nel 1986 a Chernobyl. La quantità di combustibile nel reattore è molto piccola, per il quale in caso d'incidente grave la radioattività liberata sarebbe ugualmente piccola e non sarebbe necessario evacuare la popolazione circostante. La reazione potrebbe detenersi istantaneamente, in quanto il reattore uscirebbe dai parametri di funzionamento. In ogni caso, l'inconveniente della fusione è la sua grande complessità, che la rende tuttora non disponibile commercialmente.


iber fus more 2L'energia della fusione proviene da certe reazioni nucleari nelle quali si uniscono nuclei leggeri per ottenere nuclei più pesanti. La forma di ottenere che i nuclei si scontrino fra di loro, nonostante si respingano a causa delle loro cariche positive, è quello di fornirli di sufficiente energia di movimento. Tale energia dev'essere simile a quella che possiedono le particelle all'interno delle stelle, che funzionano anch'esse mediante reazioni di fusione termonucleare. Si parla quindi di temperature di centinaia di milioni di gradi, che sono necessarie affinché le particelle si scontrino con sufficiente forza per vincere la repulsione delle cariche positive. Di conseguenza, bisogna investire energia per ottenere che i nuclei raggiungano le condizioni necessarie affinché si fondino e liberino una maggiore quantità di energia di quella somministrata.
Nell'immagine: il Tokamak è una scoperta sovietica il cui nome proviene da Toroidalnaya Kamera-ee Magnitnaya Katushkami (la traduzione letterale sarebbe camera toroidale con bobina magnetica)

I plasmi possiedono proprietà diverse da quelle degli altri stati della materia (solido, liquido e gassoso). Logicamente, non esiste nessun materiale che resista a temperature tanto elevate ed è necessario ricercare strategie alternative per confinare il plasma e quindi risolvere tale problematica. La strategia più avanzata, sul quale si basa l'ITER, è il cosiddetto confinamento magnetico, ossia la creazione di uno schermo di campi magnetici che mantenga il plasma separato dalla parete del contenitore. I campi magnetici agiscono sulle particelle cariche integranti del plasma (ioni ed elettroni) e le mantengono confinate.
Nei plasmi, allo stesso modo che negli altri fluidi (gas e liquidi), si producono numerose instabilità che danno vita a fenomeni di trasporto della materia e dell'energia più o meno violenti. I plasmi sono sostanze nei quali i cambiamenti si producono violentemente, alla velocità della luce, e così in alcuni casi si producono instabilità che si propagano a tutto il plasma in modo quasi istantaneo. Inoltre sono buoni conduttori di elettricità e calore, e ciò fa sì che l'energia che gli si fornisce tende a scappare facilmente.

La Fisica del plasma s'è occupata da circa quattro decenni di tutti questi problemi, cosa che ha permesso grandi progressi sia tramite esperimenti sia con le simulazioni teoriche. Gli esperimenti sono importantissimi in questa disciplina, perché le attività di teoria e simulazione ancora non riescono a rappresentare esattamente tutti i fenomeni che avvengono nel plasma. In ogni caso bisogna tenere in conto che molte delle equazioni che governano il comportamento dei plasmi vanno risolte tramite i computer e solo recentemente esistono computer abbastanza potenti da essere capaci di ottenere risultati che abbraccino i fenomeni che avvengono nel plasma. In particolare, bisogna trattare con simulazioni di fenomeni turbolenti in presenza di campi magnetici, o con la tracciatura di milioni di particelle singole in una struttura complessa di campi magnetici.
Nell'immagine: Il Tokamak è una scoperta sovietica, il cui nome proviene da Toroidalnaya Kamera-ee Magnitnaya Katushka (la traduzione letterale sarebbe camera toroidale con bobina magnetica)


iber fus more 3Dopo decenni di esperimenti si è giunti alla conclusione che il campo confinante i plasmi più efficace deve possedere una componente elicoidale. Non a caso, i contenitori magnetici più promettenti con prospettive di essere costruiti in un reattore sono il Tokamak e lo Stellarator, nei quali il campo magnetico possiede la succitata componente elicoidale.
La differenza principale fra i Tokamak e gli Stellarator è che nei primi circola una corrente molto intensa attraverso il plasma, mentre nei secondi non circola, o se la fa la corrente è molto debole.

Un Tokamak è un dispositivo di confinamento magnetico a forma di ciambella (toro) nel quale il campo magnetico è creato in parte da un insieme di bobine magnetiche piane a forma di D e circolari, e in parte dalla propria corrente che circola nel plasma. Così si crea un campo magnetico con una certa componente elicoidale, imprescindibile per confinare il plasma. Questa stessa corrente è capace di riscaldare il plasma fino ad elevate temperature per la resistenza che le oppone il plasma stesso. Come s'è detto, il plasma è un buon conduttore di elettricità, per il quale la resistenza sarà debole e le temperature che possono essere raggiunte saranno limitate.
Dato che attraverso uno Stellarator non circola corrente, o meglio che questa è molto debole, tutto il campo magnetico si crea tramite bobine esterne. Negli Stellarator le bobine sono molto più complicate che nei Tokamak, dato che la parte elicoidale del campo magnetico va creata completamente con mezzi esterni. In particolare, nei moderni Stellarator, le bobine sono curve, cosa che aggiunge difficoltà per la sua progettazione e costruzione. La corrente che circola nel plasma dei Tokamak è vantaggiosa, nel senso che permette il risparmio di parte del campo magnetico e della potenza ausiliare di riscaldamento.
Anche così, le instabilità che appaiono nei plasmi si estendono rapidamente a tutto il volume del Tokamak, cosa che motiva che la corrente cambi, provocando che il campo magnetico si modifichi, e a sua volta provoca che il confinamento peggiori e così si ripete il ciclo. Questo processo è chiamato interruzione (disruption in inglese) e, fortunatamente, si può prevedere abbastanza bene quando va a prodursi. Gli Stellarator, dall'altro lato, sono liberi da questi problemi: non possono soffrire interruzioni e permettono un funzionamento continuo.
Nell'immagine: Tokamak. L'ingegnere del Lawrence Livermore National Laboratory of California (a destra) e un ingegnere giapponese in visita, esaminano il materiale superconduttore per la realizzazione di prove.

Oltre alla conoscenza dei plasmi e delle sue proprietà di confinamento, si rende imprescindibile lo sviluppo della Scienza dei materiali, chiave nei futuri reattori di fusione, visto che detti materiali devono sopportare condizioni estreme di radioattività e di flussi di calore.
Specialmente resistenti devono essere la parete del contenitore dove è racchiuso il plasma e un elemento conosciuto come divertore, situato nel punto dove maggiore sarà il flusso di potenza che fuoriesce dal plasma. Il divertore è un elemento del contenitore del reattore si concentra la maggior parte del flusso di calore e particelle del plasma che scappano dal campo magnetico confinante, per il quale si progettano delle bobine di campo magnetico appropriato. I materiali che compongono questi elementi devono essere molto resistenti e avere un basso livello di radioattività, ossia, devono sopportare bene il bagno di neutroni senza che si producano prodotti radioattivi che tardino più di cento anni nel convertirsi in innocui.
È necessario anche garantire che i metalli impiegati siano capaci di liberare il trizio catturato (gli isotopi dell'idrogeno s'immagazzinano facilmente in grandi quantità sulle superfici metalliche) con trattamenti appropriati.

Tutti questi problemi da affrontare fanno sì che, oltre alla Fisica del Plasma, anche la scienza dei materiali sia d'importanza chiave per ottenere che un reattore a fusione funzioni appropriatamente. Con questa finalità si stanno sviluppando simulazioni molto ambiziose nei supercomputer e si sta progettando un'installazione dove i materiali siano sottomessi a condizioni simili a quelle che devono affrontare nell'ITER.


iber fus more 4L'ITER (International Tokamak Experimental Reactor) è l'esperimento futuro di fusione termonucleare tramite confinamento magnetico. Sarà del tipo Tokamak, nonostante i problemi citati anteriormente, perché questi dispositivi sono più avanzati che gli Stellarator e ottengono migliori parametri del plasma. La sua costruzione è già cominciata a Cadarache, una piccola località nel sud della Francia.
L'ITER è un grande esperimento nel quale partecipano sette soci: lUnione Europea, Giappone, Russia, Cina, Stati Uniti, Corea del Sud e India. Fra tutti questi, il più importante in termini di apporto scientifico ed economico è l'Unione Europea.
L'ITER vuole dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologica della fusione. Si vuole provare che il quoziente tra la potenza prodotta e quella iniettata (che si chiama Q nell'ambito della Scienza della fusione), sia di un valore uguale a 10, il quale dimostrerebbe la convenienza della fusione in termini economici.
Nell'immagine: fabbricazione di uno dei componenti dell'ITER

Nel suo attuale progetto, l'ITER, non produrrà elettricità in forma commerciale, però permetterà di valutare i sistemi che lo faranno in futuro, nel momento in cui permetterà di testare vari progetti di un dispositivo molto importante che si trova fuori dal contenitore: il cosiddetto manto fertile, dove si deposita l'energia dei neutroni, le quali collisioni con il litio permetteranno di fabbricare il trizio che non esiste in natura sulla Terra. Inoltre, si proveranno i tre principali sistemi di riscaldamento che saranno di utilità nei reattori commerciali, alcuni dei quali sono molto recenti e tuttavia richiedono sviluppi successivi.
Si proveranno nuovi sistemi di controllo, di acquisizione e d'immagazzinamento di dati, di supercomputer che permettano di simulare i plasmi dell'ITER, di sistemi di manipolazione remota per evitare che le persone entrino in zone aggressive tanto dal punto di vista chimico come radioattivo.


In Spagna, le WU di Fusion hanno radice nel gruppo del Laboratorio Nacional de Fusion del CIEMAT, che ha posto in essere lo Stellarator TJ-II, e che sta partecipando in numerosi compiti specifici per costruire l'ITER. Nonostante si tratti di un Tokamak, esistono numerosi aspetti della Fisica del plasma comuni per i Tokamak e gli Stellarator, in modo tale che l'esperienza acquisita nel TJ-II è anche valida per l'ITER. In particolare, si realizzano studi del trasporto turbolento e dell'azione dei campi elettrici sul plasma, così come gli effetti sul confinamento di diverse topologie magnetiche, tutte utili per l'ITER. Alla stessa maniera, si realizzano studi di materiali e dell'interazione fra il plasma e la parete, d'utilità per i futuri reattori a fusione.
I risultati scientifici e tecnologici dell'ITER saranno la chiave per dimostrare la fattibilità della fusione come un'alternativa energetica per il secolo XXI. E' difficile prevedere l'orizzonte temporale in cui la fusione sarà disponibile, però, d'accordo con le stime, è complicato che sia disponibile un reattore commerciale di dimostrazione prima dell'anno 2035.




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Ibernet (completato)
 

Negli ultimi anni è stato scoperto che molti sistemi reali (in campi molto diversi come la biologia, l'immunologia, l'economia o la sociologia) possono essere descritti come reti complesse. Una rete complessa si può definire come un insieme di nodi uniti da legami o relazioni.Alcuni esempi di reti reali sono le reti di comunicazione (aeroporti, ferrovie, autostrade) o dell'energia elettrica, le connessioni neuronali, internet o le reti sociali.
Soprattutto le reti sociali (i cui nodi sono costituiti dalle persone) sono state oggetto di intensi studi: dalle semplici reti di amici (Facebook, Myspace, Twitter, ...), fino alle reti di collaborazione scientifica fra ricercatori.
Questo tipo di sistemi è di grande rilevanza nel descrivere sia fenomeni quotidiani, sia fenomeni di maggiore importanza, come il traffico su internet, i problemi delle reti aeroportuali o la trasmissione di malattie.

iber ibernet 1È stato riscontrato che la struttura di molte reti reali presente proprietà curiose, come i livelli elevati di clustering (per esempio il fatto che due mie amici provenienti da ambiti distinti siamo anche amici fra loro) o i bassi valori di distanza media fra due nodi (vedi il fenomeno dei sei gradi di separazione).
Uno strumento molto utile per caratterizzare la struttura di una rete complessa è la cosiddetta distribuzione di connettività, che misura la probabilità di incontrare nella rete un nodo con k nodi vicini. Così, se si considera una rete in cui tutti i nodi hanno approssimativamente lo stesso numero di connessioni, siamo di fronte a una rete omogenea. Tuttavia, la distribuzione di connettività in una rete reale è di solito "priva di scala", cioè alcuni nodi hanno molti collegamenti, mentre la grande maggioranza ne ha pochi.

nell'immagine: esempio di rete con struttura "a comunità", i nodi sono gli utenti del servizio di posta della Universitat Rovira i Virgili de Tarragona, le connessioni rappresentano le comunicazioni email. I colori mostrano i diversi dipartimenti dell'università, all'interno dei quali, ovviamente, le connessioni sono maggiori. A. Arenas, L. Danon, A. Díaz-Guilera, P. Gleiser and R. Guimerà, European Physics Journal B, 38(2), 373-380 (2004).


iber iber 3Il progetto Ibernet studia e rappresenta graficamente la struttura e l'evoluzione temporale delle reti di relazione padre-figlio fra gli utenti di Ibercivis, così come individuare "legami fantasma" fra gli utenti, in moda da poter ricostruire la rete sottostante per ulteriori analisi. Da qui l'interesse non solo per le relazioni dirette padre-figlio, ma anche per gli inviti inviati e ricevuti che possono indicare il grado di interrelazione interno a questa rete sociale. Si conta inoltre di utilizzare il modello estrapolato per analizzare situazioni differenti, come le dinamiche della teoria dei giochi o la propagazione delle pandemie per fare alcuni esempi. Dal modello si potranno inoltre trarre conclusioni no nsolo rispetto alle sue proprietà, ma anche rispetto ai suoi punti di forza e di debolezza.

nell'immagine: rete di regolazione genetica del batterio Mycobacterium Tuberulosis. Ciascun nodo della rete rappresenta un gene e ciascun legame rappresenta una relazione di controllo tra un fattore di trascrizione genetica e un gene controllato da questa relazione. I differenti colori rappresentano gruppi di geni con caratteristiche distinte relative alla suddetta dinamica di regolazione.

 

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Materiales (completato)
 
 
 
Le transizioni di fase costituiscono uno dei fenomeni più interessanti in natura. Un sistema subisce una transizione di fase quando una variabile esterna (pressione, temperatura, conduttività...) raggiunge un punto critico e provoca importanti anomalie nelle sue proprietà interne (energia, magnetizzazione, conduttività...). L'esempio più comune è quello dell'acqua. A temperatura ambiente è liquida, però se riduciamo la temperatura sotto gli 0°C si congela e diventa solida.
I materiali magnetici sperimentano una transizione di fase quando cambiano da uno stato smagnetizzato ad un altro magnetizzato. Quando la temperatura scende da un determinato valore, gli spins - piccoli magneti in scala atomica - che compongono questi materiali si allineano creando un magnete macroscopico. La conoscenza esatta di queste transizioni è importante non solo da un punto di vista teorico ma anche in molte aree tecnologiche, come la resistenza magnetica dei dischi rigidi, la superconduttività o i nuovi materiali.


iber mater 1I fisici teorici della Universidad Complutense de Madrid, della Universidad de Extremadura e del Instituto de Biocomputacion y Fisica de Sistemas Complejos analizzano tramite simulazioni informatiche come le impurità (atomi non magnetici) nei materiali magnetici modificano le proprietà della transizione di fase.
In alcuni materiali, quando possiedono un elevato grado di purezza, si osserva una transizione di primo ordine. Questo tipo di transizioni si caratterizzano per un cambiamento brusco e la coesistenza durante la transizione dei due stati in cui si trova il materiale. Per esempio, l'acqua a 0° C non cristallizza come un congiunto, ma si cristallizzano grandi regioni (ghiaccio) che coesistono con l'acqua finché si congela completamente. Tuttavia, oltrepassando un certo livello d'impurità, questi materiali subiscono una transizione di secondo ordine, nella quale il cambiamento di fase avviene dolcemente in modo che nel punto di transizione il sistema non presenta coesistenza fra le due fasi.
Nell'immagine: sopra, sistema con un 10% di diluizione nel quale non c'è coesistenza fra le fasi. In cambio, si apprezzano regioni magnetizzate di ogni dimensione, è l'equivalente di una grandinata. Sotto, modelli puri vicino alla transizione nei quali si mostra una bolla e una banda magnetizzata. La regione nera è l'equivalente ad un iceberg galleggiante nel mare.


Un magnete macroscopico contiene nell'ordine di un quadrilione di costituenti. Lavorare con tanti elementi è impossibile per qualsiasi computer. L'unica maniera di raggiungere risultati conclusivi è simulare sistemi piccoli e studiare come variano le sue proprietà a man mano che aumenta la sua dimensione. Quanto più aumentiamo la dimensione, tanto più ci avviciniamo al fenomeno reale. Per questo è necessario realizzare un gran numero di calcoli per i quali risultano fondamentali i computer di Ibercivis.
Grazie ad essi già si stanno ottenendo risultati scientifici di grande interesse. Per esempio, si è stabilito che una quantità piccolissima d'impurità è sufficiente per cambiare l'ordine di transizione. Inoltre, per via dell'avanzamento della ricerca si otterranno dati di una precisione completamente irraggiungibile finora a livello mondiale.
iber mater more1
 
Approfondimento:
 
Il vetro è uno dei più comuni (e misteriosi) stati della materia. Nel senso tecnico della parola, i vetri sono i cristalli delle nostre finestre, però lo sono anche le plastiche o i materiali polimerici con i quali si fabbricano le ali degli aerei. Il vetro è uno stato intermedio fra il solido e il liquido. Alle temperature in cui sono generalmente utilizzati, i vetri appaiono come solidi: sono rigidi e apparentemente non scorrono. Invece, dal punto di vista microscopico, sono molto diversi dai solidi ordinari, dato che gli atomi non si dispongono in una struttura periodica.
Nell'immagine: simulazione al computer di materiali magnetici

Esistono vetri nei materiali magnetici chiamati vetri di spin, dove la disposizione dei poli nord e sud dei magneti atomici è rigida, però casuale. Esiste un comportamento vitreo anche in un grande numero di materiali disordinati, come i superconduttori. Il disordine interessa profondamente le proprietà magnetiche e di conduzione elettrica dei materiali di magnetoresistenza colossale, che potrebbero essere la base della prossima generazione di dischi rigidi nei computer.

Lo studio teorico dei vetri ha trovato altre applicazioni oltre alla Fisica della Materia Condensata. Recentemente sono stati prodotti progressi significativi, ispirati dalla Fisica dei vetri di spin, nel campo dell'ottimizzazione combinatoria nelle Scienze di Calcolo. Un esempio semplice è la regolazione dei semafori in una città: ognuno vorrebbe incontrare un semaforo verde lungo il suo percorso, però questo entra necessariamente in conflitto con gli interessi degli altri conducenti. La ricerca della soluzione ottimale (la sequenza di verde dei semafori nel quale il tempo di attesa medio sia il minore possibile) è un problema di ottimizzazione combinatoria. In tutti questi problemi, è necessario trovare il miglior compromesso fra diversi agenti con intenzioni contraddittorie, cosa che li trasforma in problemi molto simili dal punto di vista matematico ai vetri di spin.



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Nanoluz (completato)
 
 
Su scale "normali" la luce si comporta come un insieme di raggi che si muovono in linea retta, pero a scale di grandezza piccole la luce visibile se comporta come un'onda. Al di sotto del micron - la millesima parte di un millimetro -, la luce non si muove in linea retta ma descrive linee in apparenza capricciose come le onde dell'acqua in uno stagno quando urta i bordi. Questi movimenti ondulatori sono regolati dalle equazioni fondamentali dell'elettromagnetismo: le equazioni di Maxwell.

iber nanol 1Conoscere come si muove la luce a queste scale di longitudine è utile per raggiungere i seguenti obiettivi tecnologici:
  1. esplorare il mondo a livelli elementali. Possiamo costruire sonde di luce con le quali modificare e analizzare quello che accade in natura a scala nanometrica, ossia a dimensioni del milionesimo di millimetro.
  2. trasmettere e processare informazioni in modo simile agli elettroni in un microprocessore. Esistono già dispositivi che utilizzano la luce per commutare e processare segnali, come ad esempio le fibre ottiche attraverso le quali arrivano nelle case dati internet e televisione. Questi avanzamenti formano parte del lungo percorso per plasmare il flusso della luce in piccole strutture ed arrivare a fabbricare computer ottici, un obiettivo ancora lontano.
  3. migliorare il rendimento dei pannelli solari.
  4. produrre luce (illuminare) attraverso dispositivi.

iber nanol 2Il progetto nanoluz, sviluppato dai ricercatori del Daza Valdés Optics Institute (CSIC), intende risolvere le equazioni di Maxwell per descrivere il comportamento della luce in nanoparticelle metalliche. Queste particelle si fabbricano in laboratori avanzati di chimica colloidale e permettono di cambiare il colore e le proprietà ottiche dei mezzi nel quale sono situati.
L'obiettivo più immediato è creare strategie per l'uso di queste particelle in biosensori che abbiano una elevatissima sensibilità (su scala molecolare). Tramite biosensori nanoscopici basati sull'interazione della luce con queste molecole si potrebbe arrivare ad individuare e dedurre da una quantità infinitesima di fluido corporale - per esempio, una lacrima - la presenza di malattie. In questo modo molte analisi mediche non avrebbero bisogno di ricorrere all'estrazione di quantità macroscopiche di sangue.





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Neurosim (completato)
 
 
Le proteine sono molecole fondamentali per gli organismi viventi. Praticamente qualunque processo biologico dipende dalla presenza e dall'attività di queste molecole, la cui funzione è determinata dalla loro struttura molecolare.
Le proteine sono composte da catene di aminoacidi di lunghezza variabile (da qualche centinaio a decine di migliaia di elementi) che costituiscono la struttura primaria della proteina.
Queste strutture si uniscono fra loro a formare la cosiddetta struttura terziaria, responsabile delle funzioni biologiche della proteina. A volte le strutture terziarie si uniscono formando anche una struttura quaternaria.


iber neuro 1Il numero di proteine composte da milioni di aminoacidi è molto elevato, ma nonostante il livello tecnologico raggiunto dagli attuali sistemi di analisi (risonanza magnetica, microscopi elettronici, ecc..) è possibile determinare la struttura terziaria solo per una piccola percentuale di queste proteine.
Dato che la struttura di una proteina è determinata proprio dalla sequenza degli aminoacidi che la compongono, una delle maggiori sfide della scienza moderna è riuscire a predire la struttura 3D di una proteina partendo dalla sequenza degli aminoacidi.
Per fare luce sulla composizione delle proteine, i ricercatori del Instituto de Estructura de la Materia del CSIC analizzano le proprietà della struttura di aminoacidi e piccoli peptidi (sequenza di poche decine di aminoacidi) conosciuti con il nome di neuropeptidi. Questi agiscono nel cervello e nel sistema nervoso e sono coinvolti nei naturali meccanismi dell'apprendimento e della memoria.
Nell'immagine a sinistra: rappresentazione CPK della struttura molecolare di una proteina nella membrana cellulare dei neuroni del sistema nervoso centrale. Essa è costituita di 374 aminoacidi e 6700 atomi. Notate la complessità della struttura. A destra: rappresentazione di una proteina. Notate le eliche, sono chiamate "eliche α-secondarie"


iber neuro 2A seconda della disposizione degli atomi, esistono molte possibili strutture (o conformazioni) per ogni aminoacido. La conformazione più probabile è quella in cui l'emergia associata all'unione di questi atomi è minore. Il metodo utilizzato per calcolare l'energia di ciascuna conformazione è la simulazione del moto della molecola dell'aminoacido in un medium acquoso.
Le informazioni ottenute dalle simulazioni possono creare i cosiddetti scenari energetici della struttura di ogni aminoacido, che sono di indubbio interesse per il successivo passo nella ricerca: ricostruire la struttura di polipeptidi e proteine.
Simulazioni di questo genere richiedono circa 75 ore su un personal computer. Considerando che le possibili conformazioni dei 20 aminoacidi sono in totale 25.000, occorrerebbero circa 2 milioni di ore, o 200 anni, per completare il lavoro. Grazie al calcolo distribuito e al supporto dei volontari, il progetto Ibercivis può ridurre questi tempi a pochi mesi.
Nell'immagine: simulazione di dinamica molecolare. La struttura dell'aminoacido è raprpesentata con delle sfere come nella cosiddetta rappresentazione Van der Waals. L'insieme delle piccole "bacchette" rappresentano le molecole di acqua circostanti. La simulazione viene effettuata in maniera tridimensionale in modo da corrispondere ad una situazione reale.


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Wilson

Cosa sono i numeri primi?

Sono quei numeri che possono essere divisi per 1 e per sé stessi.

Sieve of Eratosthenes animation   Euclide dimostrò intorno all'anno 300 a.C. che esistono infiniti numeri primi. Si contrappongono ai numeri composti, che sono quelli che hanno qualche divisore naturale oltre ad 1 e a sé stesso. Il numero 1, per convenzione, non si considera né primo né composto.

   La distribuzione dei numeri primi è un tema ricorrente della ricerca nella teoria dei numeri: se si considerano da soli, i numeri primi sembrano essere distribuiti casualmente, però la distribuzione “globale” dei numeri primi segue leggi ben definite.

 

 

 

 

Nell'immagine: crivello di Eratostene fu concepito da Eratostene di Cirene, un matematico greco del III secolo a.C. Si tratta di un algoritmo semplice che permette di trovare tutti i numeri primi uguali o minori ad un dato numero

 

Progetto Primalidad

Esiste un gran numero di congetture aperte sui numeri primi , come per esempio l'ipotesi di Riemann o la congettura di Goldbach.complex zeta

Nell'immagine: funzione zeta di Riemann ζ(s) nel piano complesso. Il colore di un punto s codifica il valore di ζ(s). Colori forti denotano valori vicini a 0 e il tono codifica il valore dell'argomento. Il punto bianco in s=1 è il polo della funzione zeta; i punti neri sull'asse reale negativo e nella linea critica Re(s)=1/2 sono i suoi zeri.

Quello che vi proponiamo è di sfruttare la potenza di calcolo di Ibercivis per sapere un poco di più su questi numeri, di come sono distribuiti e di cercare di trovare confutazioni alla congettura.

In questo progetto il codice sarà pubblico, in modo tale che ognuno di voi potrà vedere il codice ed incorporare possibili migliorie. Allo stesso modo, c'è un forum a disposizione dove potersi scambiare le impressioni su questo progetto.

Numeri primi di Wilson

Dato p come numero primo, se (p-1)! = -1 (mod p^2) allora il numero p è un numero di Wilson, in onore al matematico John Wilson. Finora gli unici numeri di Wilson incontrati sono 5, 13 e 563, tuttavia si è supposto che il numero dei primi di Wilson sia infinito.

L'applicazione Mr. Wilson

Usando questa applicazione si cercherà di trovare il successivo primo di Wilson. Si è dimostrato che deve essere superiore a 5*10^8. Da notare che il problema principale nel momento di calcolare se un numero primo è o non è un primo di Wilson è il calcolo del fattoriale di p-1, basta dire che il fattoriale di 5*10^7 occupa circa 350 Mb in ASCII. Per semplificare il compito sono stati raggruppati in blocchi di 300 i numeri primi fra 5*10^8 e 4*10^9, in modo che ogni WU analizzi ognuno di questi blocchi, provando se tali numeri primi siano o meno primi di Wilson.

Il codice è disponibile pubblicamente in github Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.:Ibercivis/Wilson.git.


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Sanidad (completato)
 
 
iber sani 1 mini Le radiazioni ionizzanti si utilizzano in modo abituale nell'ambito sanitario, principalmente nella diagnostica per immagine (in radiologia tramite l'utilizzo di fasci di raggi X, e nella medicina nucleare tramite l'utilizzo di radioisotopi) e nel trattamento di diverso patologie mediante l'uso di fasci di fotoni o elettroni (radioterapia estrema), fonti incapsulate (brachiterapia) o radioisotopi non incapsulati (medicina nucleare).
Le tecniche di simulazione numerica di trasporto delle particelle (fotoni, elettroni e positroni) tramite metodi Monte Carlo in ambienti complessi sono state applicate da più di 50 anni in tutto un ventaglio di situazioni (complementare misure sperimentali, caratterizzazione delle strumentazioni, dosimetria ai pazienti, etc). Negli ultimi anni questa metodologia ha sperimentato un'enorme crescita nel suo utilizzo e nelle sue applicazioni, rimanendo unicamente limitato dai tempi delle CPU necessari per il raggiungimento di risultati in modelli complessi.


La descrizione del trasporto di particelle mediante tecniche Monte Carlo trova il suo fondamento nella caratterizzazione del trasporto delle particelle con distribuzioni probabilistiche che descrivono, da un lato, la distanza che deve percorrere la particella fra due interazioni in ogni materiale, e dall'altro, gli angoli di dispersione e bilanciamento energetico che questa sperimenta nell'interazione. In questo modo, e con l'utilizzo di un generatore di numeri casuali si produce la simulazione del trasporto delle particelle in seno al materiale prendendo, in modo sequenziale e per ogni particella simulata, decisioni su:
  • le condizioni iniziali della stessa (energia, direzione, etc)
  • sulla distanza fino alla seguente interazione
  • sul processo fisico tramite il quale s'interaziona (Compton, fotoelettrico, etc)
  • sul risultato di detta interazione (angolo di dispersione, produzione di particelle secondarie, etc).


Le tecniche di simulazione Monte Carlo sono di conseguenza di natura necessariamente statistica e richiedono il controllo di una grande quantità di particelle per raggiungere la precisione richiesta, cosa che implica tempi di computazione considerevoli.
I vantaggi associati a questa metodologia si situano nella capacità di ottenere risultati con la precisione spazio-temporale necessaria, così come poter ottenere risultati con parametri fisici multipli in modo simultaneo. Tutto questo converte tale tecnica statistica in una potente attrezzatura che la rende meritevole di considerazione frequentemente come lo standard per il raggiungimento di risultati in molte applicazioni biomediche.


iber sani 2 mini In Ibercivis, ogni unità di lavoro di Sanidad che s'invia ai computer dei volontari esegue la simulazione del trasporto di particelle in alcune condizioni ambientali determinate (materiali con le quali s'interaziona, geometrie di questi, ...).
La simulazione dettagliata in queste condizioni, completata con misure sperimentali, permette il miglioramento delle tecniche diagnostiche, la qualità dei trattamenti e la protezione dei pazienti e del personale alle radiazioni ionizzanti.
Grazie a queste simulazioni si spera di poter ottenere risultati in condizioni che senza l'appoggio dei volontari risulterebbero proibitive in tempi di realizzazione e la quale analisi permetteranno di ottenere un'importantissima informazione.
Nell'immagine: trattamento di un cancro alla prostata con Iodio 125

Il codice di simulazione Penelope
PENELOPE, acronimo di «PENetration and Energy of Positrons and Electrons» è un programma dalle finalità generali per la simulazione Monte Carlo che descrive il trasporto di fotoni, elettroni e positroni in qualsiasi materiale per le classi di energia fra i 50 eV e 1 GeV. PENELOPE viene sviluppato in forma attiva nella Universidad de Barcelona e si distribuisce attraverso la Agencia de la Energia Nuclear.



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Soluvel (completato)
 

Perché un composto chimico possa essere assorbito dalle cellule umane, esso deve penetrare la membrana cellulare. Questo vale sia per sostanze nenefiche (come i farmaci), sia per sostanze potenzialmente pericolose (come tossine e ssotanze inquinanti). Il processo di assorbimento implica l'interazione del composto con ambienti che possono variare dal molto idrofilo, al molto idrofobico.
nell'immagine: lo schema di una tipica membrana cellulare. Il fluido extracellulare e il citoplasma sono tipicamente idrofili, mentre l'interno della membrana è altamente idrofobico.

iber soluv 1

La capacità delle cellule umane di assorbire farmaci e tossine è fortemente legata alla solubilità dei composti in soluzione acquosa e organica. Per sviluppare un nuovo farmaco, centinaia di composti vengono testati in laboratorio, incrementando costi e tempi necessari alla ricerca. Molti composti vengono scartati priprio perché non hanno le caratteristiche che ci si aspettava. Se fosse possibile predire in anticipo la solubilità di un nuovo somposto partendo unicamente dalla sua struttura molecolare, saremmo in gradodi sviluppare farmaci efficaci abbattendo tempi e costi. Allo stesso modo, il calcolo della solubilità ci consentirebbe di stimare anche il grado di tossicità.

iber soluv 2La solubilità di un determinato composto è direttamente con l'energia libera di miscelazione. Questa è una delle caratteristiche termodinamiche più importanti, che permette di stimare non solo la solubilità, ma anche il grado di partizione di una molecola in ambienti con differenti caratteristiche. L'energia libera può essere calcolata con precisione usando metodi di simulazione molecolare e un algoritmo termodinamico. Inizialmente, la simulazione prevede il composto circondato da un solvente. Il passo successivo consiste nell'eliminare gradatamente il composto monitorando la cariazione di energia nel sistema durante il processo. Infine, si ottiene l'energia libera di miscelazione del composto integrando la curva dell'energia.
nell'immagine: esempio della variazione dell'energia libera durante l'eliminazione del composto (in questo caso una molecola di benzene, in verde) sciolta in acqua (molecole in blu).

 

iber soluv 3Il calcolo delle energie di miscelazione usando simulazioni molecolari è altamente preciso, ma tuttavia richiede una enorme potenza di calcolo. Ad esempio, il calcolo dell'energia di un singolo composto in acqua richiede circa 500 ore di calcolo su un personal computer. Tenendo conto l'alto numero di composti da testare e la grande varietà di solventi, risulta chiaro perché si è scelto di usare Ibercivis.

L'obiettivo principale del progetto è di predire attraverso calcoli computerizzati l'energia libera di miscelazione di un grande numero di composti e solventi. Le molecole studiate vanno dalle più semplici (come l'etanolo) alle più complesse (farmaci e tossine), mentre i solventi variano dall'acqua agli idrocarburi. Questa grande varietà di sistemi consentirà di sviluppare e testare modelli molecolari che potrebbero essere usati anche in altri ambiti. La capacità di predire la solubilità di un composto partendo semplicemente dalla sua struttura molecolare è di grande impatto nella scoperta di nuovi farmaci e nella valutazione di tossicità dei composti ai quali il nostro potrebbe essere esposto.

nell'immagine: esempio di un farmaco disciolto in acqua (molecole bianche e blu).

 

 

 

 

Pubblicazioni scientifiche dei vari sottoprogetti:

 CUANTICABLES

Alberto Camjayi and Liliana Arrachea. “Conductance of a quantum dot in the Kondo regime connected to dirty wires”Physical Review B 86, 235143 (2013).

SANIDAD

L.I. RAMOS GARCÍA, Julio F. ALMANSA, “Technical Note: An algorithm to calculate the tissue phantom ratio from depth dose in radiosurgery”, Medical Phisics, vol. 38, issue 5 (April 2011). Online

CELLS

E. Lostal Lanza, F. Serrano Sanz, J. A. Carrodeguas Villar, P. Martínez Alonso, F. Sanz García, C. Val Gascón (2013) “Cell Images Analysis as a Case of Citizen Science for Advanced Education: Laboratory and School, Back and Forth”. In Proceedings of the 7th International Technology, Education and Development Conference (INTED 2013), Valencia, Spain, IATED.

PRISIONER DILEMMA

Carlos Gracia-Lázaroa, Alfredo Ferrer, Gonzalo Ruiz, Alfonso Tarancón, José A. Cuesta, Angel Sánchez, Yamir Moreno (2012) “Heterogeneous networks do not promote cooperation when humans play a Prisoner’s Dilemma”,  PNAS 109(32), pp. 12922–12926.

MATERIALES

L.A. Fernández, A. Gordillo-Guerrero, V. Martín-Mayor, J.J. Ruiz Lorenzo. “Microcanonical Study of the Sitediluted Eight-state Potts Model in 3D”.

NEUROSIM

Victor L. Cruz, Javier Ramos, and Javier Martinez-Salazar (2012)Assessment of the Intrinsic Conformational Preferences of Dipeptide Amino Acids in Aqueous Solution by Combined Umbrella Sampling/MBAR Statistics. A Comparison with Experimental Results”, J. Phys. Chem. B, 116 (1), pp 469–475
Víctor Cruz, Javier Ramos, and Javier Martínez-Salazar (2011) “Water-Mediated Conformations of the Alanine Dipeptide as Revealed by Distributed Umbrella Sampling Simulations, Quantum Mechanics Based Calculations, and Experimental Data”, J. Phys. Chem. B. 115 (16), pp. 4880–4886.

CRITICALIDAD

A. J. Martínez-Mendoza , J. A. Méndez-Bermúdez, Imre Varga (2010) “Conductance statistics for the power-law banded random matrix model”, In Conference Proceedings of the IV Mexican Meeting on Experimental and Theoretical Physics: Symposium on Condensed Matter Physics, AIP Conf. Proc. 1319, pp. 41-48

AMILOIDE

Carlos J. V. Simões, Trishna Mukherjee, Rui M. M. Brito,  Richard M. Jackson (2010) “Toward the Discovery of Functional Transthyretin Amyloid Inhibitors: Application of Virtual Screening Methods” J. Chem. Inf. Model. 50 (10), pp 1806–1820
Carlos J. V. Simões, Alejandro Rivero, R. M. M. Brito (2010). “Searching for Anti-Amyloid Drugs with the Help of Citizens: the ‘AMILOIDE’ Project on the IBERCIVIS Platform”ERCIM News 82, pp. 25-26
Carlos J. V. Simões, Alejandro Rivero, Alfonso Tarancón, Fermín S. Sanz, Javier L. Romero, Pedro Abreu, Carlos Manuel, Rui Durão, João Rosa, João Pagaime, Pedro Veiga, Richard M. Jackson, Ana Noronha, Rosalia Vargas, Luís T. Magalhães , Gaspar Barreira, Rui M. M. Brito (2010) “Running faster and further together: the AMILOIDE project, the onset of the Portuguese participation on the Ibercivis volunteer computing network”, In Proceedings of IBERGRID’10, Braga, Portugal.

FUSION

A. Bustos, F. Castejón, L.A. Fernández, J. García, V. Martin-Mayor, J.M. Reynolds, R. Seki6 and J.L. Velasco. “Impact of 3D features on ion collisional transport in ITER” (2010). Online
J. L. Velasco, F. Castejón and A. Tarancón. “Finite orbit width effect in ion collisional transport in TJ-II. ( 2009)”. [DOI: 10.1063/1.3126583]

 

Tesi di laurea:

Phase Transitions in Desordered Systems. Antonio Gordillo Guerrero, Universidad de Extremadura. Settembre 2009.

Estudio de las Propiedades de Transporte en Sistemas Críticos. Andrei Jesus Martínez Mendoza

Transporte cuántico en sistemas mesoscópicos con campos dependientes del tiempo y desorden. Federico Foieri, Ottobre 2010.

 
 

 

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Stato del progetto: progetto attivo
Iscrizione libera.

 

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> Sistema operativo: Windows 98 o successivo, Windows 2000 con Service Pack
> Hardware
    - Pentium 233 MHz (raccomandato: Pentium 500 MHz o superiore)
    - 64 MB RAM (raccomandato: 128 MB RAM o superiore)
    - 20 MB di spazio sull'hard disk

Macintosh
> Sistema operativo: Mac OS X 10.3.9 o successivo
> Hardware
    - Macintosh computer con processore Intel x86 o PowerPC G3, G4, o G5
    - 128 MB RAM (raccomandato: 256 MB RAM o superiore)
    - 200 MB di spazio sull'hard disk

Linux
> Sistema operativo:
    - Linux kernel 2.2.14 o superiore
    - glibc 2.3.2 o superiore
    - BOINC utilizza il file locking. Se stai eseguendo BOINC su una directory con NFS, assicurati che il NFS lock daemon sia in funzione.
> BOINC Manager e applicazioni grafiche (opzionale)
    - XFree86-3.3.6 o superiore
    - gtk+2.0 o superiore
> Hardware
    - Pentium 500 MHz o superiore
    - 64 MB RAM
    - 50 MB di spazio sull'hard disk

Nota Linux 64-bit

In caso di unione ad un progetto con applicazioni per Linux a 32 bit, Boinc tenterà di eseguirle. Queste andranno in errore se non si ha installato precedentemente il pacchetto ia 32 con le sue dipendenze. Questi pacchetti sono inclusi in alcune distribuzioni Linux a 64 bit, però non in tutte; per esempio, non sono incluse in Ubuntu 6.10 e 7.04 (però possono essere installate manualmente). Inoltre, affinché le grafiche delle applicazioni possano funzionare, è necessario copiare una libreria a 32 bit libglu nella directory usr/lib32. Se l'applicazione continua a dare errore, bisogna cercare l'eseguibile nella directory del progetto e lanciare da terminale ldd per sapere quali sono le librerie mancanti.

 

Screensaver: non disponibile

 

Assegnazione crediti: variabili in base al progetto
Quorum = variabile in base al progetto

 

Applicazioni e WU disponibili:
Cliccare sulle icone relative alle "Applicazioni" ico32_applicazioni e allo "Stato del server" ico32_server.

 

Sistemi operativi supportati:
Windows
Linux
Mac OS X

 
 

Problemi comuni: nessuno
Non si riscontrano problemi significativi tuttavia la validazione delle WU può richiedere parecchio tempo per alcune delle applicazioni.

 

Supporto al progetto: supportato
Per unirsi al team BOINC.Italy consultare la scheda "Link" qui a destra cliccando sull'icona relativa al "JOIN" ico32_bi.

ibercivis banner

 

 

 

Link utili
Join al Team ico32_bi
Applicazioni ico32_applicazioni
Stato del server ico32_server

Statistiche interne

del progetto

ico32_stats

Classifica interna utenti

ico32_classutenti

Pagina dei

risultati

Pagina dei risultati
 
 
 
 
Statistiche BOINC.Stats

Statistica del Team sul

progetto

ico32_boincstats
Classifica dei team italiani ico32_statita
Statistiche del Team Team Stats
Classifica Utenti ico32_classutenti
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Posizione del team nelle classifiche modiali:
 

N/D

 

 

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