Per anni, Marco Buongiorno Nardelli ha condotto una doppia vita. Di giorno lavorava come fisico, calcolando le proprietà elettroniche di molecole e materiali. Di notte i suoi pensieri si rivolgevano alla musica: andava a suonare con altri musicisti in jazz club pieni di fumo o dedicava la notte a creare mix di musica elettronica con il rumore di trafficate strade indiane nel sottofondo. Questi due aspetti della sua vita sono confluiti in “MaterialsSoundMusic”, un progetto che usa la musica per esplorare i dati dei materiali e, viceversa, si serve dei dati per ispirare composizioni musicali.

Progetto strategico

Buongiorno Nardelli, ora professore di fisica all’Università del North Texas (UNT), aveva ideato il suo progetto in contemporanea con il Materials Genome Initiative, che la Casa Bianca aveva lanciato nel 2011 per accelerare la scoperta di nuovi materiali. Come parte di questa iniziativa, Nardelli ha partecipato allo sviluppo di AFLOWLIB, un database online che cataloga le proprietà di milioni di materiali esistenti o teorizzati. I ricercatori di tutto il mondo possono liberamente accedervi per trovare un superconduttore, un metallo o una ceramica adatti al loro scopo.

Per sviluppare questo database, Buongiorno Nardelli si è posto due domande. La prima riguardava come passare al setaccio l’enorma quantità di dati di AFLOWLIB. Come era possibile rappresentare le caratteristiche dei materiali in modo che i ricercatori potessero velocemente trovarli e valutarli? La seconda era una sfida divulgativa. I materiali non sono affascinanti come i buchi neri o la “particella di Dio”. Come si possono rendere più interessanti al pubblico le proprietà elettroniche e i reticoli cristallini? Per Buongiorno Nardelli, che suonava e componeva da quando aveva sei anni, la risposta più naturale a queste due domande era quella di usare il suono.

Sonificare i materiali

Per prima cosa, lo scienziato doveva dare una voce ai materiali. Ci è riuscito tramite la “sonificazione”, l’equivalente uditivo della visualizzazione. Invece di tracciare punti su un grafico, la sonificazione presenta i dati alle nostre orecchie. L’idea non è certamente nuova (basti pensare ai click di un contatore Geiger) e di recente è stata esplorata in vari campi, dall’astrofisica alla scienza del clima. I materiali, però, finora erano rimasti muti.

Per sonificarli, Buongiorno Nardelli ha progettato algoritmi che selezionano le note in base ai dati della struttura a bande e della densità di stati, due proprietà che definiscono come gli elettroni si muovono in un materiale. Uno di questi algoritmi ha un range di energia che va da -15 a +5 eV su 88 tasti di un piano e assegna un’ampiezza a ogni nota basandosi sulla densità di stati dell’energia corrispondente.

Esempi di sonificazione di materiali dal database AFLOWLIB, come il silicio, il carbonio, il germanio o lo stagno, si possono trovare sul suo sito. Come si potrà ascoltare, i materiali non creano un bel suono come quello di un violino o un ritornello pop, ma creano combinazioni di note stridenti, come un gatto che cammini su una tastiera. Tuttavia, ogni materiale ha un suono unico e distinguibile. Anche materiali come il silicio e il germanio, per i quali la densità degli stati si assomiglia molto se rappresentata in un grafico, producono suoni che possono essere distinti facilmente anche da un orecchio non allenato.

Funziona davvero?

Tutto questo può davvero aiutare gli scienziati a trovare quello che cercano nei database di materiali? Forse è presto per dirlo, ammette Buongiorno Nardelli. Lo scienziato sta facendo dei test in cui chiede ai partecipanti di selezionare materiali simili tra una serie di opzioni, basandosi sui grafici della densità degli stati o sui suoni generati dall’algoritmo. I primi risultati sono incoraggianti: i test acustici e visivi sono entrambi accurati. «Ma la sonificazione è a uno stadio molto embrionale», dice, «e c’è ancora un grande margine di miglioramento, raggiungibile con l’esercizio degli ascoltatori e con il miglioramento degli strumenti per la sonificazione». Lo scienziato spera che queste basi portino allo sviluppo di database in cui i ricercatori possono trovare materiali con proprietà simili come gli utenti di Spotify o Pandora possono trovare canzoni simili tra loro.

Ispirazione artistica

L’utilità scientifica, tuttavia, non è il solo scopo dello scienziato. Buongiorno Nardelli, infatti, aspira anche a raccogliere dati dei materiali come fonte di ispirazione musicale. In alcune delle sue ultime composizioni, mappa i suoni dei materiali su diverse scale, li mette a caso, crea loop e ripetizioni, oppure li mischia con musica suonata con strumenti veri. Il suo immenso catalogo di composizioni include Musica per 88 note , nata mischiando dati di diamante, ossido di zinco e oro, e EleKtrloN, nata dalla simulazione delle proprietà del diamante. «Il suo lavoro fa vedere come i dati possano talvolta accendere idee musicali belle e sorprendenti, a cui noi musicisti non avremmo mai pensato», dice Jon Nelson, compositore e dean associato del College of Music di UNT.

Strumento di comunicazione

Nardelli spera che la connessione emotiva offerta dalla musica possa aiutare il pubblico a capire quanto i materiali siano ricchi e belli. Ora sta progettando un’installazione dalla forma di un gigantesco cristallo con inseriti i dati sonificati di quello stesso materiale. I visitatori avranno la sensazione di camminare all’interno ascoltando il battito dei suoi fononi o l’instancabile danza dei suoi elettroni.

Per coinvolgere il pubblico ancora di più, sta organizzando anche una gara per far ascoltare la musica creata dai ricercatori e dai musicisti di tutto il mondo. Se sei uno scienziato e pensi di avere un isolante topologico di talento, rimani sintonizzato.

Link e approfondimenti

• L’articolo originale su Physics, in inglese.
• Le composizioni di Marco Buongiorno Nardelli.
• Il database AFLOWLIB.
• Il calendario degli eventi di MaterialSoundMusic in Europa e negli Stati Uniti.