Vedere le molecole: filosofia, stregoneria, sogni e computer

A scuola, più o meno tutti quanti abbiamo osservato al microscopio le cellule di cipolla, o magari di sangue. Qualcuno avrà visto anche qualche batterio.
Ma le molecole? Qualcuno le ha mai viste? Gli atomi si possono osservare al microscopio?


Al contrario di quanto avviene per le cellule che, per quanto microscopiche, possono essere osservate piuttosto bene anche utilizzando un microscopio non troppo sofisticato, gli atomi e le molecole sono davvero troppo piccoli per essere visti, persino con il più fantasmagorico dei microscopi.
Questo è stato un gran bel problema per moltissimi secoli, infatti, mentre la fisica era una scienza studiata già dagli antichi greci (basti pensare al Principio di Archimede) e la Biologia fiorì con i primi passi della microscopia all'inizio del 1800, la Chimica e i chimici sono dovuti andare sempre un po' a tentoni, passando dalla teoria filosofica all'antro dell'alchimista.

Prima vennero i Greci

Il primo in assoluto a parlare di atomi fu il filosofo greco Democrito.
Secondo lui l'intera realtà era costituita da particelle minuscole, indivisibili, che differiscono fra loro solo in quanto a grandezza, forma, ordine e posizione, in moto perpetuo fra di loro; proprio questo moto, che porta le particelle a unirsi e a separarsi, è all'origine della nascita, della morte e di tutte le trasformazioni correlate alla vita.
Democrito
Democrito chiama queste particelle Atomi, che vuol dire proprio "particelle indivisibili". Le teorie di Democrito si discostano da quelli che erano i pensieri ricorrenti nella Grecia del tempo, basati maggiormente su concetti più metafisici, e perla prima volta parla di qualcosa di concreto, di misurabile (e su questo tornerà, secoli dopo, un certo Galileo Galilei) e si spinge a dire che persino l'anima non è composta d'altro che da atomi leggerissimi, sottilissimi e lisci.
Il povero Democrito non ebbe molto successo, però, e la sua teoria degli Atomi rimase praticamente inutilizzata fino a tempi molto più moderni.
Chi invece riscosse grande consenso fu Aristotele, che affermava come ogni cosa fosse formata da quattro elementi principali: acqua, fuoco, terra ed aria.
Questa teoria ha avuto talmente successo che tempo dopo un altro filosofo, Empedocle, vi contribuì moltissimo.
Secondo Empedocle la nascita, la morte, la vita in genere, avviene perché c'è una mescolanza e una separazione costante di sostanze che lui individua essere proprio le quattro di cui aveva parlato Aristotele.
Insomma, nessuno ci credeva a questi fantomatici atomi di cui aveva parlato Democrito, d'altro canto nessuno li aveva mai visti!

Gli alchimisti, la chimica e la Pietra Filosofale

Di Alchimia si potrebbe parlare per giorni interi e si potrebbero scrivere tomi lungi migliaia di pagine. L'origine di questa pratica a metà fra la scienza e la magia è antichissima, ma non è certo se provenga dall'antico Egitto o addirittura dal mondo Islamico. Anche in Cina, seppur con metodi e fini molto diversi che si intersecano con la medicina tradizionale, si ritrovano tracce di Alchimia.
"Alchimista" di David Teniers il giovane  
In Europa si diffonde nel Medioevo grazie al contatto con il mondo Islamico e gli Arabi in particolare , riprende il concetto dei quattro elementi (aria, terra, acqua e fuoco) e lo amplia, mischiando occultismo con i primi esperimenti di natura più strettamente chimica. 
Il principale fine degli Alchimisti era la trasmutazione dei Metalli in Oro, in particolare del Piombo, oltre che, naturalmente, la ricerca della mitica Pietra Filosofale, un artefatto che avrebbe dato l'immortalità al suo possessore.
Non è facile distinguere fra processi in qualche modo scientifici e credenze mistiche, perché per gli alchimisti non c'era una vera e propria differenza fra le due cose, perciò troviamo, nella lista dei simboli alchemici, accanto a draghi ed unicorni, anche il mercurio.

Il sogno di Kekulè

Nonostante la chimica vera e propria nasca nel 1700 e la fisica sia una scienza molto molto più antica, di atomi e molecole ancora si parlava con qualche dubbio, soprattutto fra i fisici. 
Ci furono i primi modelli atomici all'inizio del 1900, per tentare di dare una qualche spiegazione della struttura dell'atomo, come quello "a panettone" di Thomson, quello "a planetario" di Rutherford e soprattutto l'atomo di Bohr, quello che (non sempre e con moltissime modifiche) si usa ancora oggi nelle spiegazioni di base.

Modelli atomici (da sinistra) di Thomson, di Rutherford e di Bohr

C'era stato anche qualcuno che aveva provato, soprattutto nella chimica organica, a fare delle ipotesi sulla forma e la struttura delle molecole. 
Uno di questi e probabilmente il più importante di tutti fu il chimico tedesco Friedrich August Kekulé che propose la struttura esagonale del Benzene nel 1865.
La struttura del Benzene e il serpente di Kekulé
Inizialmente Kekulé non volle dire a nessuno e fu solo 25 anni dopo, sotto l'insistenza di amici e colleghi, raccontò come l'incredibile intuizione gli fosse venuta in sogno, quando, addormentatosi davanti al fuoco, sognò un serpente che si mordeva la coda.
Una storia senza dubbio affascinante e un modo alquanto insolito per sopperire al problema delle molecole non visibili a occhio nudo, ma nel 1984 alcuni studiosi dell'università di Chicago scoprirono che Kekulé, pur essendo un brillante chimico, non era proprio quel che si dice un uomo onesto.
Infatti non fu per pudore che tacque per 25 anni, ma perché la sua incredibile intuizione arrivò dopo che quella stessa struttura esagonale era stata già proposta ben 12 anni prima di Kekulé da un chimico francese di nome Auguste Laurent.


Ciechi dalle mani sensibili

Il problema con le molecole è che la lunghezza d'onda del fotone, la particella che compone la luce e che è anche un'onda, è troppo grande rispetto alle distanze che esistono fra gli atomi, per questo è impossibile vedere una molecola a occhio nudo (o con un normale microscopio ottico). 
Appurato che Democrito aveva ragione e che gli elementi sono molto più di quattro, si è quindi fatto ricorso all'immaginazione, se vogliamo chiamarla così, per cercare di capire come fosse fatto un atomo e quale fosse la struttura di tutte le molecole che ci circondano. 
Se per quanto riguarda il singolo atomo, per il momento, non possiamo che affidarci ancora alla teoria, per le molecole fortunatamente abbiamo sviluppato qualche arma in più.
Nel 1895 il fisico Wilhelm Conrad (premio Nobel nel 1901) scoprì i Raggi X. Grazie all'avanzamento di questa tecnica è possibile fare una sorta di "fotografia" di un cristallo, analizzando in quale modo ogni atomo del reticolo cristallino devia la radiazione elettromagnetica. Uno schermo fotografico o, più modernamente, un rilevatore, capta questa radiazione deviata e, tramite degli algoritmi matematici, elabora una struttura del cristallo, posizionando ogni atomo al proprio posto.

Esempio di struttura ottenuta ai Raggi X

Il grande limite di questa tecnica, però, è che la sostanza che si vuole conoscere deve essere cristallina e purtroppo moltissime molecole organiche non lo sono.
Uno strumento utilissimo e usato massicciamente dai chimici organici di tutto il mondo è la Risonanza Magnetica Nucleare (NMR), che utilizza i nuclei degli atomi (principalmente quelli di Idrogeno e di Carbonio) come dei piccoli magneti che vengono influenzati da un magnete più grande in modo diverso a seconda degli atomi che sono lì intorno. I primi a sfruttare queste proprietà dei nuclei per studiare la struttura molecolare furono Felix Bloch dell'Università di Stanford ed Edward Purcell dell'Università di Harvard, due fisici, nel 1946.
In realtà non è proprio corretto dire che questa tecnica permette di vedere le molecole, perché quello che si ottiene non assomiglia per niente all'immagine che abbiamo di una molecola, ma imparando a interpretare i dati è possibile ricostruire la struttura anche di sostanze sconosciute. 
D'altronde anche con i Raggi X si ottiene una serie di numeri che poi è un computer (o, qualche anno fa, l'abilità dell'uomo) a trasformare in una struttura.

Esempio di Spettro NMR


Un mio professore, a questo proposito, diceva (citando Primo Levi) che i chimici sono come dei ciechi, incapaci di vedere, ma con mani sensibili che permettono di individuare, anche nel buio, la forma delle cose.




Per Appofondire:

  • https://www.lsgalilei.org/lavori/Hypertesto/atomismo_dem.htm
  • http://www.treccani.it/enciclopedia/alchimia/
  • "Diffrazione dei raggi X dai materiali policristallini" di Daniele Mazza
  • "Metodi spettroscopici in chimica Organica" di M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh

Commenti

  1. Il tuo professore citava un altro chimico, Primo Levi, che diceva del mestiere del chimico "siamo come dei ciechi con le dita sensibili".

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    1. si, è vero, ho modificato l'articolo dando il credito a Levi

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