Macchine Molecolari Naturali, Parte 3: Una fabbrica dentro le cellule

Rubrica: Bioingegneria e Biotecnologie

Titolo o argomento: Macchine meccaniche delle dimensioni di molecole

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Ora iniziamo ad avere una vaga idea di cosa siano i sistemi supramolecolari ma un esempio renderà tutto più semplice. Avete mai sentito la parola enzima? Sono sicuro di sì, almeno in qualche documentario o giornale scientifico di divulgazione per amatori. Ma cosa sono esattamente gli enzimi? Se li avessimo davanti agli occhi, ingranditi nel mondo macroscopico, cosa vedremmo?

In sostanza gli enzimi sono sistemi supramolecolari molto complessi, dei veri e propri “macchinari” posizionati all’interno delle cellule al fine di soddisfare i bisogni delle cellule stesse. Si tratta di veri macchinari fatti di molecole le quali compiono movimenti meccanici sotto l’azione dell’energia chimica (o, come vedremo nei prossimi articoli, dell’energia elettrica o di quella luminosa). Questi movimenti meccanici possono essere semplici, come rotazioni o spostamenti lineari, oppure possono essere complessi e tra loro interconessi al fine di eseguire cambiamenti di forma, sequenze ordinate di movimenti, spostamenti, reazioni, trasformazioni, trasduzioni, scambi, ecc..

Si assolvono così funzioni quali ad esempio:
compiere reazioni chimiche per trasformare delle molecole in altre utili alla vita;
trasportare materiale molecolare;
copiare ed effettuare operazioni di trasduzione del codice genetico nelle proteine;
scambiare informazioni con altre cellule;
compiere movimenti macroscopici (come l’estensione e la contrazione dei tessuti muscolari);
permettere al cervello di pensare.

Tutte conseguenze di movimenti che avvengono a livello molecolare grazie a macchinari composti da mattoncini di molecole che possono interagire tra loro come i macchinari di una grande fabbrica automatizzata.

Pertanto le Macchine Molecolari Naturali (o Bionanomacchine) sono dei macchinari meccanico-chimici più noti con il nome di Enzimi. Un enzima è una proteina con capacità avanzate, nella fattispecie con la capacità di formare un complesso supramolecolare (quindi un macchinario) con una molecola più piccola per poi modificarla (e ricavarne un prodotto finito con precise funzioni richieste dalla cellula).
A sua volta una proteina è un assieme di molecole costituite da catene ripetitive (quindi modulari) di aminoacidi, quest’ultimi possono essere presenti in poche unità fino a migliaia a seconda delle funzioni per le quali vengono assemblati.
Ogni molecola ha la particolarità di contenere al suo interno tutte le informazioni sulle sue caratteristiche (come una sorta di libretto contenente tutte le “specifiche di fabbrica” che permettono di capire, a chi vi si avvicina, cosa tale molecola può fare e come); pertanto ogni molecola ha precise proprietà che possono essere richiamate quando interagisce con altre molecole o quando riceve segnali esterni come quelli elettrici o quelli luminosi.
Al loro incontro le molecole sono in grado di leggere le rispettive informazioni (riconoscimento molecolare) in modo tale da formare all’occorrenza sistemi supramolecolari (composti da due o più molecole), o aggregarsi formando nuove specie o, ancora, ignorarsi laddove non vi sia alcuna utilità.

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Animazione

L’immagine riportata in basso è tratta da una sequenza animata che trovi al link riportato di seguito. La spettacolarità di questa animazione sta nel fatto che permette di apprezzare il movimento vibrante delle molecole. Capiremo nei prossimi articoli cosa alimenta questo movimento e come si fa per orientarlo, ad esempio, in maniera similare ad un braccio robotico.

https://www.youtube.com/watch?v=yk14dOOvwMk

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Non puoi inventare ciò che non esiste
Macchine Molecolari Naturali, Parte 1: Congegni, interruttori, attuatori e motori – Intro
Macchine Molecolari Naturali, Parte 2: Biologia e Nanotecnologia
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Image’s Copyright: rcsb.org

Macchine Molecolari Naturali, Parte 1: Congegni, interruttori, attuatori e motori – Intro

Rubrica: Bioingegneria e Biotecnologie

Titolo o argomento: Macchine meccaniche delle dimensioni di molecole

Qualche tempo fa scrissi un articolo che si intitola “Non puoi inventare ciò che non esiste” (vedi in basso i Link correlati). Al suo interno citavo alcuni esempi di cose che l’uomo crede di aver inventato e che in realtà ha solo scoperto. L’obiettivo era quello di comunicare che l’Uomo si ispira a ciò che trova e osserva in Natura per le sue “invenzioni” (o scoperte).

Tra gli esempi esposti ne mancava uno che è a dir poco sbalorditivo: le Macchine Meccaniche di scala “nanometrica” presenti in Natura. Nanometrico significa di dimensioni dell’ordine del Nanometro, il Nanometro altro non è che la milionesima parte del millimetro o, se preferite, la miliardesima parte del metro. Questo significa che potete prendere tra le mani un righello, osservare un singolo millimetro e immaginare di dividerlo 1 milione di volte per arrivare alle dimensioni di queste strabilianti Macchine Meccaniche Naturali dette Macchine Molecolari.

Se ora vi sentite un po’ interdetti sappiate che la risposta è Sì, stiamo parlando di veri e propri macchinari, delle dimensioni di gruppi di molecole, che svolgono funzioni del tutto simili a quelle che l’Uomo ripropone (inconsapevolmente) nelle sue fabbriche a partire dalla Rivoluzione industriale e che sono contenute in piante e animali, quindi anche dentro di voi.

Esse svolgono funzioni quali ad esempio trasportare molecole ingerite con il cibo o con il respiro, estrarre da tali molecole l’energia necessaria per permettere i movimenti, convertire le molecole che poi generano la struttura ed i tessuti di un organismo, riparare danni… passando per attività strabilianti come la sintesi dell’ATP (che vedremo nel dettaglio più avanti) mediante veri e propri motori elettrici nanometrici (dotati quindi di statore e rotore) alimentati da ioni a idrogeno (spesso erroneamente definiti motori a protoni), fino alla gestione dei sensi, delle sinapsi, del pensiero, possibili grazie a veri e propri interruttori molecolari che si attivano e si disattivano, ad esempio nella retina, per poter riconoscere le lettere che compongono anche le parole di questo articolo.

L’intero funzionamento del corpo umano, così come quello delle piante (che, come vedremo in uno dei prossimi articoli, gli scienziati hanno dimostrato dispongono di capacità decisamente superiori rispetto a quanto siamo soliti immaginare…), è orchestrato da congegni molecolari capaci di lavorare con elevata efficienza, rapidità e precisione i quali moltissimo hanno in comune con i nostri motori elettrici, con gli attuatori presenti nelle fabbriche automatizzate, con i microinterruttori presenti nei processori e, addirittura, con gli strumenti presenti nei nostri laboratori. Ora l’Uomo comincia persino ad imparare a riprodurre artificialmente queste Macchine Molecolari per impieghi nei campi della Bioingegneria e della Biotecnologia, si parla in questo caso di Macchine Molecolari Artificiali di cui vedremo esempi sorprendenti.

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Immagine

Nell’immagine è rappresentato un Motore Molecolare Naturale, il suo funzionamento è molto simile a quello dei nostri motori elettrici; ne sono presenti una moltitudine “installati” nei nostri Mitocondri, ovvero all’interno di ciò che potremmo definire la “centrale energetica” delle nostre cellule. Grazie a questi Motori Molecolari Naturali viene prodotta energia sotto forma di ATP (Adenosina Trifosfato) di primaria importanza per il nostro organismo perché necessaria per svolgere qualsiasi tipo di lavoro biologico. Ne vedremo il funzionamento in dettaglio nei prossimi articoli.

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Non puoi inventare ciò che non esiste
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Image’s copyright: http://vcell.ndsu.edu/animations/

Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Astronomia

Rubrica: Eventi

Titolo o argomento: Partire dai fondamenti per dirigersi verso il futuro

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L’area che vi introduce alla Scienza dei più suggestivi interrogativi dell’uomo, l’Astronomia, ospita strumenti e tecnologie con cui si è dato inizio all’esplorazione dei fenomeni celesti. Dal telescopio alle mappe (del mondo e delle stelle), dai satelliti alle sonde, da un modello di grandi dimensioni di VEGA ad un campione di combustibile, da un collegamento video in tempo reale con la Stazione Spaziale Internazionale (dove potrebbe accadervi di veder passare realmente un astronauta) passando per un frammento di pietra lunare…

Di seguito pubblichiamo solo un cenno dell’affascinante esposizione del Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia Leonardo da Vinci così da non rovinarvi la sorpresa. Trovate maggiori informazioni sul sito ufficiale e in particolar modo alla pagina: http://www.museoscienza.org/visitare/spazio/

Confidiamo in futuro di trovare anche la ricostruzione di percorsi esplorativi effettuati su Marte dai Rover, non sarebbe male ricorrere all’uso di modelli realmente funzionanti e programmati con un demo che mostri come funziona un Rover, i rilievi effettuati, i dati acquisiti, le difficoltà incontrate e interessanti curiosità…

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Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Intro
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – La bottega dell’orologiaio Bertolla
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – CERN
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Astronomia
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Generatore elettrico a vapore
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Leonardo da Vinci
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Agraria
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Farmacia
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Macchine da cucire

  

Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – CERN

Rubrica: Eventi

Titolo o argomento: Partire dai fondamenti per dirigersi verso il futuro

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Lo spazio che il Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” dedica all’Organizzazione europea per la ricerca nucleare, più nota come CERN, è eccezionale. Andrebbe assolutamente visto anche se non ci si rende conto di cosa sia esattamente la fisica delle particelle (il Modello standard spiega come interagiscono i blocchi fondamentali della materia, governati da quattro forze fondamentali https://home.cern/science/physics/standard-model). E’ stimolante anche solo osservare come dispositivi tutto sommato “semplici” (ricavati da materiali pregiati, con precise geometrie, architettati in modo da poterne sfruttare le proprietà intrinseche che partono dalle più semplici leggi della fisica) possano dar luogo a fenomeni di così elevato interesse per l’uomo.

Al CERN si devono alcuni dei più importanti successi scientifici della fisica delle particelle tra cui la scoperta della corrente debole neutra (1974), la scoperta dei bosoni W e Z (1983 e relativo Premio Nobel per la fisica assegnato a Carlo Rubbia e Simon van der Meer nel 1984), l’invenzione e lo sviluppo dei rivelatori di particelle (Premio Nobel per la fisica assegnato a Georges Charpak nel 1992), la prima creazione di atomi di Anti-idrogeno (1995), la scoperta di un nuovo bosone compatibile con il bosone di Higgs (2012 e relativo Premio Nobel per la fisica a Peter Higgs e François Englert l’anno successivo).

Inoltre, forse non tutti sanno che, il CERN è il luogo dove è nato il World Wide Web… più precisamente nel 1989, da un’idea di Tim Berners-Lee e Robert Cailliau che lo realizzarono inizialmente come progetto per uso interno e che poi conoscerà uno sviluppo senza tregua grazie alla liberalizzazione e diffusione all’intero mondo che fu annunciata nel 1993 con il rilascio del primo browser grafico (Mosaic).

Il CERN è anche detto il Laboratorio della Pace, in esso fanno ricerca studiosi provenienti da tutto il mondo anche da paesi in guerra tra loro, davanti alla Scienza, ad un’ampia istruzione e cultura i conflitti vengono meno.

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Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – La bottega dell’orologiaio Bertolla
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – CERN
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Astronomia
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Generatore elettrico a vapore
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Leonardo da Vinci
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Agraria
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Farmacia
Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Macchine da cucire

Caratteristiche dei sistemi Embedded

Rubrica: Sistemi integrati (o dedicati)

Titolo o argomento: Ottimizzare un dispositivo elettronico per un preciso compito

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Quando si realizza un sistema dedicato per un preciso compito, ad esempio un termometro per misurare la temperatura del corpo umano, andiamo in contro a precise necessità. Il dispositivo deve avere una forma utile e/o accattivante con priorità nettamente prevalente su quelle che potrebbero essere le esigenze dell’hardware; dimensioni e peso contenuti, quindi elevata portabilità; estrema semplicità di utilizzo (un solo tasto e, se possibile, nemmeno quello); un basso consumo energetico (utilizzando di conseguenza batterie più economiche e aumentando al contempo l’autonomia); costo contenuto (in linea con l’elettronica di consumo); infine deve fornire all’utilizzatore i dati richiesti praticamente instantaneamente (ovvero in tempo reale, si parla di soft real-time quando il mancato rispetto dei vincoli temporali porta unicamente un degrado delle prestazioni del sistema e di hard real-time quando il vincolo temporale non rispettato implica effetti catastrofici sul sistema e, addirittura, sull’ambiente circostante (un rilevatore di gas o di fiamme, un sistema termostatico abbinato ad un impianto refrigerante).

Per soddisfare simili requisiti l’intera architettura ha bisogno di una notevole snellezza, cosa che implica al contempo praticamente la totale assenza di possibilità di riprogrammare il dispositivo al fine di aumentarne o variarne la destinazione d’uso. Inoltre, per garantire le prestazioni che l’utente si aspetta, l’architettura hardware sarà interamente orientata solo per fornire l’unico feed-back richiesto nel minor tempo possibile e molto difficilmente sarà in grado, anche dietro riprogrammazione, di offrire le medesime prestazioni per compiti differenti. Del resto i costi saranno talmente bassi da non giustificare logicamente l’hackeraggio ed il riadattamento del prodotto per altri scopi. In visione della vitale snellezza, quindi, il software (che dovrà avere un codice ridotto all’essenziale) sarà caricato all’interno di un supporto di memoria permamente integrato nel chip del microprocessore o, in ogni caso, sulla stessa scheda.

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Che cos’è un sistema Embedded?
Caratteristiche dei sistemi Embedded
Esempi di sistemi Embedded
Che cos’è la Visione Embedded?

Dal nostro laboratorio: circuito elettronico di uno strumento ad ultrasuoni per la misura
della quantità di gas nelle bombole, le dimensioni estremamente contenute permettono
di alloggiarlo in una penna.

Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – La Bottega dell’Orologiaio Bertolla

Rubrica: Eventi

Titolo o argomento: Partire dai fondamenti per dirigersi verso il futuro

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La Bottega dell’Orologiaio Bartolomeo Antonio Bertolla trasuda un’essenza preziosa da ogni poro, da ogni angolo, sotto ogni aspetto la si osservi. Si percepisce il valore del mestiere, dell’arte del mestiere, delle rare conoscenze, della professionalità, dell’esperienza, delle nobili capacità umane, degli altrettanto nobili strumenti di cui può circondarsi l’uomo per plasmare la materia e ricavarne oggetti in grado di affiancarlo, assisterlo e persino interagire con lui.

La Bottega dell’Orologiaio Bertolla ha i colori d’altri tempi; materiali, strumenti e abilità d’altri tempi; passioni e conoscenze tecniche d’altri tempi, di quando l’uomo “sapeva fare”, di quando l’uomo possedeva in “mano” un mestiere, lo tramandava, lo evolveva e lo arricchiva con il gradimento dei clienti. Valori che oggi sono in via d’estinzione sotto la spinta di una brutta bestia che prende il nome di ignoranza.

Nel 1959 questa splendida Bottega è stata trasportata e rimontata all’interno del Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci”, così com’era in origine. Costituisce pertanto un tipico esempio di Musealizzazione di un ambiente originale.

Consiglio vivamente a chiunque di visitarla per rimanere incantati dagli enormi valori che trasmette, dal fascino irresistibile della tecnica che esprime ovunque si guardi e dagli strumenti strabocchevoli che solo un vero artigiano poteva maneggiare con maestria. Uno spettacolo inestimabile…

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Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – CERN
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Che cos’è un sistema Embedded?

Rubrica: Sistemi integrati (o dedicati)

Titolo o argomento: Ottimizzare un dispositivo elettronico per un preciso compito

Cercando di semplificare il concetto di Sistema Embedded potremmo effettuare una distinzione piuttosto intuitiva: immaginate due tipologie di dispositivi elettronici con i quali entriamo in conttato ogni giorno, una versatile ma complessa, una ottimizzata ma estremamente semplice.

La prima tipologia, versatile ma complessa, è costituita da quei dispositivi che richiedono all’utilizzatore di caricare programmi, adoperare interfacce come tastiere e monitor, aggiungere o rimuovere periferiche, mi riferisco ovviamente ai computers che tutti conosciamo e che, i più esperti possono programmare e riprogrammare a proprio piacimento per infiniti scopi di utilizzo (ragione per cui in ambito tecnico vengono definiti Sistemi General Purpose).

La seconda tipologia, ottimizzata ma estremamente semplice, è assai più semplice, non richiede alcuna particolare conoscenza tecnica da parte dell’utilizzatore, non richiede una interazione tale da dover aggiungere interfacce e/o periferiche, non richiede di caricare alcunché, sto parlando dei Sistemi Embedded ovvero di sistemi integrati concepiti per un unico preciso utilizzo, potremmo anche definirli come sistemi dedicati.

Esempi di sistemi embedded sono: un termometro digitale, una lavastoviglie, un bancomat, un telefono cellulare, una carta ricaricabile, la console di un’automobile moderna… tutti questi dispositivi eseguono un compito, con il minimo (se non totalmente assente) intervento dell’utente, e non possono essere riarchitettati per compierne altri.

Oggi l’importanza dei sistemi embedded è tale che l’elettronica può rappresentare fino al 50% del costo di un prodotto. Si tratta di una tecnologia il cui rilievo è talmente elevato che rappresenta una nuova importante branca dell’Ingegneria. Noi stessi nei nostri laboratori prototipiamo prodotti con dispositivi elettronici avanzati che simulano una tecnologia embedded con il vantaggio che, in ambito progettuale, può esser cancellata e rifatta infinite volte fino ad arrivare a prototipare il prodotto finale desiderato. Tramite il computer, cioè, e tramite la programmazione in linguaggi appositamente sviluppati per uso industriale, siamo in grado di programmare computers e schede elettroniche per svolgere precisi compiti, verificarne il corretto funzionamento, il feed-back con l’utente e la reale fattibilità del dispositivo finale.

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Che cos’è un sistema Embedded?
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Esempi di sistemi Embedded
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Un esempio di sistema Embedded: circuito di protezione per celle agli ioni di litio.

Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Intro

Rubrica: Eventi

Titolo o argomento: Partire dai fondamenti per dirigersi verso il futuro

Il Museo nazionale della Scienza e Tecnologia “Leonardo da Vinci” è sito nella città di Milano all’interno della Cerchia dei Bastioni in un monastero olivetano costruito nei primi del ‘500. E’ stato fondato da Guido Uccelli ed inaugurato ufficialmente il 15 Febbraio del 1953.

La struttura copre una superficie di oltre 50.000 metri quadrati; 33.000 metri quadrati sono coperti e ben 25.000 metri quadrati sono espositivi. Vi trovate esposti quasi 17.000 beni storici ed è proprio sulla storia della scienza e della tecnologia che il museo punta molto.

Non troverete infatti esposte le tecnologie attuali e del futuro (fatta eccezione per temi di assoluto interesse come la Fisica delle Particelle e la relativa area che espone gli strumenti del CERN), ma tutto questo ha un senso. Andare in contro al futuro senza sapere da dove si proviene, infatti, non ci permette di conoscere veramente le cose. I principi di base della fisica e le soluzioni trovate dall’uomo grazie all’interazione con tali leggi, ad esempio, sono fondamentali per sapere come funzionano le tecnologie attuali e quelle del futuro.

Tanto per rendere l’idea uno schermo capacitivo, considerato oggi un oggetto futuristico, sfrutta semplicemente la variazione di capacità elettrica, propria dei condensatori, che si verifica al tocco dello schermo grazie ad un sottile strato di ossido metallico presente sulla parte esterna del vetro. In questo caso non sono le proprietà dei condensatori (presenti su qualunque libro di fisica delle scuole superiori) a rappresentare l’innovazione, bensì la possibilità per l’uomo di realizzare un sottile strato metallico grazie a moderne tecnologie meccaniche, elettroniche, dei materiali e dei nanomateriali.

Il Museo offre quindi delle solide basi di partenza che una volta apprese ci aprono la mente a concetti più complessi che da esse derivano. Le tecnologie attuali e del futuro potrete trovarne in opportuni percorsi di studi, aziende del settore, centri di ricerca e istituti come quello Italiano di Tecnologia (IIT).

Vengono organizzati diversi laboratori di scienze ma sono tutti dedicati ai bambini e le scolaresche. Il museo si aggiorna e, ritornando più volte, si possono vedere cose nuove. Personalmente, da ricercatore in campo tecnologico, speravo di trovarci anche altro ma non posso negare che sia comunque un luogo sbalorditivo e estremamente affascinante da vedere, assolutamente, almeno una volta.

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Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” – Macchine da cucire

Isaac Asimov, nato Isaak Judovič Azimov (2 gennaio 1920 – New York, 6 aprile 1992),
è stato uno scrittore e biochimico russo naturalizzato statunitense. Le sue opere sono
considerate una pietra miliare sia nel campo della fantascienza sia in quello della
divulgazione scientifica. È autore di una vasta e variegata produzione, stimata
intorno ai 500 volumi pubblicati, incentrata non solo su argomenti scientifici, ma anche
sul romanzo poliziesco, la fantascienza umoristica e la letteratura per ragazzi.