Oppenheimer e quella cosa importante di cui non parla mai nessuno

Luglio (Agosto da noi... maledetti rinvii) 2023.

Milioni di persone affollano le sale cinematografiche per gustarsi l'ultimo film di Christopher Nolan, regista amatissimo, cult, amato e odiato in egual misura. 

Avanti veloce fino a Marzo e quello stesso film si porta a casa ben 7 premi oscar fra cui miglior attore protagonista, miglior regia e miglior film. 

Protagonista della pellicola è J. R. Oppenheimer.

Chi era costui?

Julius Robert Oppenheimer (Oppy per gli amici) è stato uno degli scienziati più importanti del XX secolo e uno degli uomini che più hanno influito sulla storia umana, almeno quella recente.

Il padre era un ebreo tedesco emigrato negi Stati Uniti e arricchitosi grazie all'industria tessile, la madre era un'artista tedesco-americana, che aveva studiato a Parigi e che esponeva le sue opere in un atellier di New York.

Oppenheimer studiò fisica a Cambridge, dove attraversò momenti molto difficili, ebbe grandi problemi negli studi, in particolare nella parte più pratica e di laboratorio e dovette ricorrere alle cure di uno psichiatra a causa di un vero e proprio esaurimento nervoso e a una grave crisi di identità.

Nel corso della sua carriera scientifica conobbe e collaborò con moltissimi dei più importanti scienziati dell'epoca, soprattutti fisici teorici, perchè la fisica quantistica, la nuova fisica come veniva definita da molti, stava rivoluzionando non solo il modo in cui questa scienza veniva  studiata ma anche come la gente guardava a questo tipo di cose. Basti pensare che personaggi come Einstein erano molto popolari anche fra un pubblico che non aveva alcun interesse per la fisica e le scienze in generale.

Anche Oppenheimer a suo modo fu un personaggio quasi pop. Era molto affascinante e carismatico, riusciva ad attirare verso di sè colleghi e studenti, inoltre le sue frequentazioni nel partito comunista lo rendevano un personaggio che persino il governo degli Stati Uniti teneva d'occhio.

E naturalmente il successo del progetto Manhattan, con la costruzione della prima bomba atomica, lo rese estremamente influente a vari livelli sia accademici che soprattutto politici. Questo almeno finchè le sue simpatie comuniste non ne decretarono la rovinosa caduta nell'era del maccartismo.

Una vita che qualsiasi regista vorrebbe portare sullo schermo, a maggior ragione quando i dilemmi etici e morali dell'uomo dietro lo scienziato possono diventare il fulcro della narrazione autoriale di questo regista.

E i chimici ringraziano

La fisica quantistica è un paradosso… ma funziona. 

[Oppenheimer in una scena del film]

Tutti conoscono Oppenheimer come il direttore del Progetto Manhattan e il suo nome è inevitabilmente legato alla bomba atomica.

Ma in verità i meriti scientifici di Oppenheimer sono stati molti di più e sono legati strettamente a questa nuova scienza che stava nascendo e che prendeva vigore sempre maggiore durante i primi decenni del '900, cioè la meccanica quantistica. 

Lasciamo per un attimo da parte la bomba atomica e tutti i dilemmi scientifici ed etici che si porta ancora dietro dopo tutti questi anni, e parliamo di tecnica  matematica nota come approssimazione di Born-Oppenheimer, messa a punto proprio dal nostro Oppy insieme a un altro grandissimo fisico dell'epoca, Max Born, fra il 927 e il 1928. Questa approssimazione è particolarmente utile proprio ai chimici, in particolare a quei chimici che si occupano di studiare il modo in cui due atomi interagiscono fra loro per formare legami chimici.

In meccanica quantistica elettroni e protoni (e in generale le particelle subatomiche) possono essere rappresentate da una funzione d'onda, in pratica un'operazione matematica che ne descrive le caratteristiche e il comportamento. La risoluzione dell'equazione di questa funzione è però particolarmente complessa perchè in un atomo bisogna tenere conto del movimento dei protoni e degli elettroni allo stesso tempo.

L'approssimazione di Born-Oppenheimer, invece, implica che poichè la massa dei nuclei è enormemente più grande rispetto a quella degli elettroni, allora è possibile considerarli separatamente e quindi risolvere separatamente la funzione d'onda prima per i nuclei e poi per gli elettroni, combinando successivamente le soluzioni trovate. Anzi, possiamo considerare i nuclei fermi rispetto agli elettroni, semplificando ulterirmente tutto il sistema.

Equazione di Schrödinger con approssimazione di Born-Hoppenheimer

L'approssimazione di Born-Oppenheimer ha profonde implicazioni nell'ambito della chimica computazionale e della spettroscopia molecolare. Consentendo la risoluzione efficiente delle equazioni che descrivono il comportamento dei sistemi molecolari, questa approssimazione è alla base di numerosi modelli teorici utilizzati per predire la struttura molecolare, le proprietà termodinamiche e cinetiche, nonché le interazioni molecolari.

Non tutto rose e fiori

L'approssimazione di Born-Oppenheimer è uno strumento utilissimo, anzi, fondamentale in chimica quantistica e permette di poter studiare le proprietà chimico-fisiche dei materiali molto più facilmente e sostanzialmente in modo accurato.

Non è tuttavia priva di limitazioni.

Per quanto si può considerare, in un primo momento, i nuclei atomici fermi, essi non sono fermi ma si muovono con un moto che ha degli effetti quantistici su quello degli elettroni.

In particolare non tiene conto del cosiddetto effetto tunnel, cioè quell'effetto per cui in determinate condizioni gli elettroni sono capaci di 'saltare' la barriera energetica anche se non potrebbero farlo, di fatto compiendo delle azioni (per esempio una reazione chimic) che apparentemente non potrebbero fare.

L'approssimazione non tiene conto anche di un altro effetto, chiamato decoerenza quantistica, che influisce su come le funzioni d'onda dei nuclei e degli elettroni si comportano l'una rispetto all'altra.

Il fatto che uno strumento così importante per la chimica e la fisica come l'approssimazione di Born-Oppenheimer abbia anche dei limiti così evidenti ci fa capire che la scienza non è granitica e non è tutto o bianco o nero, ma che nella realtà le cose sono più complicate a alcune teorie (molte teorie) vivono in questa sorta di limbo per cui vanno bene e funzionano ma in alcuni casi è necessario trovare altre teorie che funzionano un po' meglio. Questo soprattutto in un campo come la fisica o la chimica dove le approssimazioni sono degli strumenti utili ma imperfetti per avvicinarsi quanto più possibile alla descrizione della realtà.

Quella volta che Paperino scoprì il metilene

 

In una storia a fumetti del 1944, il grande Carl Barks, maestro assoluto dei paperi Disney, racconta di come Paperino, nel tentativo di aiutare i nipotini Qui, Quo e Qua nei loro esperimenti scientifici, prende una botta in testa e diventa d'un tratto uno scienziato brillante. La storia in questione è Paperino chimico genio (a volte pubblicata anche con il titolo di Paperino chimico pazzo) e sarebbe soltanto una delle tante, splendide, storie a fumetti sul papero più sfortunato al mondo, se non fosse che questo albo anni dopo fu citato più volte in articoli scientifici e testi universitari, e fu persino l'oggetto di una lettera mandata alla stessa Disney da parte di uno scienziato di Harvard.

Dopo aver ricevuto la botta in testa ed essere diventato un genio della chimica, Paperino inventa la paperite, un gas esplosivo dalle proprietà incredibili che Paperino sfrutta come propellente di un razzo, costruito per raggiungere la luna. Purtroppo durante il viaggio il nostro eroe guarisce e dall'essere “Professor Donald Duck, the Mightiest Chemist in the Universe!” torna il solito sfortunato e combinaguai di sempre. Riesce a tornare sano e salvo nel giardino di casa sua, ma il metodo di preparazione della paperite è completamente dimenticato.

Peccato, perché per sintetizzarla, Paperino utilizza una molecola che era stata solo teorizzata ma che non sarà ottenuta fino al 1959, ben 15 anni dopo: il metilene.

Il più semplice dei carbeni

Il carbene è una specie chimica con formula generale R2C molto reattiva, motivo per cui i carbeni sono largamente sfruttati in chimica organica e in metallorganica.

La loro struttura elettronica è particolare, infatti presenta una coppia di elettroni sul carbonio che può presentarsi sia come singoletto che come tripletto.

Il carbene singoletto, con i due elettroni appaiati sullo stesso livello energetico, è quello meno stabile e possiede una geometria planare; il carbene tripletto ha energia minore ed è quindi più stabile, inoltre può presentari sia con una geometria planare che non planare.

Il carbene tripletto ha anche la caratteristica di essere paramagnetico: i due elettroni, infatti, non trovandosi appaiati ma ognuno sul proprio orbitale, con spin parallelo, sono sensibili ai campi magnetici applicati e generano a loro volta in questi casi un campo magnetico. Questa proprietà è molto utile perché permette ai carbeni di poter essere studiati tramite tecnica EPR, una spettroscopia simile alla risonanza magnetica nucleare ma in cui è possibile individuare sostanze che posseggono, appunto, uno o più elettroni spaiati.

L'uso principale dei carbeni è nella sintesi di composti metallorganici e in particolare su larga scala è utilizzato nella sintesi del tetrafluoroetene, un precursore del Teflon, il polimero plastico con cui si fabbricano le pentole antiaderenti, vari tipi di guarnizioni o nei motori dove è necessario eliminare il più possibile l'attrito.

CHClF₂ → CF₂ + HCl

2 CF₂ → F₂C=CF₂

Paperino chimico genio

Il chimico tedesco premio Nobel  Eduard Buchner è stato il primo a postulare, nei suoi studi di sintesi organica, l'esistenza di queste molecole fortemente reattive, nel 1903.

Proprio perché si tratta di molecole estremamente reattive, però, è molto difficile riuscire a isolarle. Composti di carbonio bivalente erano stati tuttavia postulati già nel 1876, quando fu proposto che il diclorocarbene, Cl―C―Cl, fosse un intermedio nell'idrolisi catalizzata da basi (decomposizione causata dall'acqua) del cloroformio (HCCl3), ma comunque la teoria intorno ai carbeni iniziò a prendere piede soltanto a partire dal Novecento, postulando, appunto, che si trattava di intermedi di reazione.

Successivamente, però, le prove sperimentali sembrarono confutare queste ipotesi, e infatti la chimica dei carbeni perse via via di popolarità fino agli anni '50, quando si riuscì finalmente a dimostrarne l'esistenza e soprattutto l'utilità.

Nel 1944, quindi, quando Paperino chimico genio veniva pubblicato, i carbeni (e il metilene) erano una teoria chimica non particolarmente di moda, quasi dimenticata, e la storia di Barks rimase, appunto, solo una delle tante storie brevi dedicate al personaggio.

Nel 1964, però, quando la chimica dei carbeni era ormai un fatto appurato, ecco che a Paperino viene per la prima volta riconosciuta, in un certo senso, la paternità della scoperta del metilene. Nell'articolo  "The Spin States of Carbenes", scritto da P.P. Gaspar e G.S. Hammond e pubblicato in in Carbene Chemistry, a cura di Wolfgang Kirmse, si legge: “Nonostante il recente ampio interesse per la chimica del metilene, sono necessari ulteriori studi […] Tra gli esperimenti che, a nostra conoscenza, non sono stati ancora effettuati ce n'è uno dei più intriganti suggerito nella letteratura di non meno di 19 anni fa (91).” La nota 91 portava come fonte proprio il numero 44 di Walt Disney's Comics and Stories.  

Un anno dopo, la Disney ricevette una lettera da Richard Greenwald, uno scienziato di Harvard. "I recenti sviluppi della chimica hanno concentrato molta attenzione su specie di questo tipo", ha commentato Greenwald. “Senza essere tecnico, lasciami dire che i carbeni possono essere prodotti ma non isolati; cioè non possono essere messi in un barattolo e tenuti su un guscio. Possono, tuttavia, essere fatti reagire con altre sostanze."

Queste parole fanno riferimento proprio alle tavole di Barks, in cui Paperino fa reagire il metilene con l'ammoniaca per ottenere il fantomatico Nitrogeno spaccatutto.

Ma non finisce qui.

L'incredibile intuito di Paperino si guadagna anche un posto in uno dei principali testi universitari di Chimica Organica, il libro "Organic chemistry" di Morrison e Boyd: nel capitolo dedicato ai carbeni, ecco comparire proprio la tavola in cui il nostro eroe nomina il metilene e nella didascalia alla figura è riportato "Evidence of early (1944) research on methylene. CH2 by D. Duck"

Dal Salice all'Aspirina: la storia del farmaco più usato al mondo

Il Natale è alle porte, l'inverno è appena arrivato, il freddo inizia a farsi sentire e così tutti quei malanni che sembrano non aspettare altro che rovinarci le feste con il loro carico di nasi colanti, mal di gola, febbre e malesseri vari.

Fortunatamente ci basta prendere una pillola per evitare di passare il cenone di Natale a letto e poterci godere le infinite portate di cibo che vanno avanti dirette fino al pranzo del giorno dopo e il solito zio un po' alticcio che racconta barzellette; eppure non sono neanche duecento anni (119 per l'esattezza) che tutto questo è possibile, pochissimi, se ci pensate, nella storia dell'umanità.

salix alba

Sicuramente raffreddori, dolori e febbri varie erano un bel problema anche per gli antichi Egizi, e non solo perché andavano a rovinare le feste, ma perché in un'epoca in cui antibiotici e vaccini erano ancora lontanissimi, una febbre troppo alta poteva portare alla morte; qualcuno, però, si accorse che riducendo in poltiglia le foglie di un albero, il Salix Alba, comunemente noto come Salice Bianco o Salice Piangente, era possibile abbassare la febbre e curare i gonfiori.

Più tardi anche il medico greco Ippocrate si accorse che le foglie del Salice avevano proprietà analgesiche e antipiretiche e le raccomandò alle donne per alleviare i dolori del parto.

Nel medioevo, i decotti di foglie di Salice erano usati per abbassare la febbre e sono stati persino inclusi nella farmacopea tedesca.

Il merito va tutto ad una molecola importantissima, fra le più famose e importanti nella storia dell'uomo: la Salicina.

salicina

Chimicamente parlando è un β-glucoside, cioè una molecola costituita da uno zucchero legato (in quella che viene chiamata posizione β) con un'altra molecola, in questo caso l'anello aromatico della Saligenina. Non si trova solo nella corteccia del Salice, ma anche nella Viola e soprattutto nell'Olmaria, una pianta della famiglia delle Rosacee.

La Salicina è quella che viene definito un profarmaco, cioè nel nostro organismo non agisce come salicina, ma subisce delle modificazioni chimiche, infatti viene trasformata in Acido Salicilico, ed è questo ad avere la funzione farmacologica e a diventare famoso con il suo nome commerciale: Aspirina.

C'era una volta un vicario inglese

Lettera di E. Stone alla Royal Society

Il primo a pensare che un rimedio popolare potesse diventare qualcosa di molto più esteso fu Edmund Stone, un vicario inglese che, nel 1763 condusse un esperimento sorprendentemente moderno e scientifico per l'epoca.

In quel periodo andava per la maggiore la Teoria delle Signature: si credeva, cioè, che il rimedio dovesse assomigliare in qualche modo alla malattia, ad esempio per un male che colpiva lo stomaco, la pianta adatta a curarlo doveva avere una forma che ricordasse l'organo in questione il più possibile.

Basandosi su queste credenze, Stone pensò che la corteccia di Salice, una pianta che cresceva in prossimità di zone paludose, potesse curare una febbre simile alla malaria che aveva colpito molte persone che vivevano proprio in quelle zone, e che potesse avere un effetto simile a quello della corteccia di Cinchona, una pianta già usata per abbassare la febbre, ma molto più costosa.

Preparò, quindi, delle dosi di corteccia di Salice essiccata scelte empiricamente e le somministrò a 50 pazienti ogni quattro ore, documentando il tutto scrupolosamente.

I risultati ottenuti furono talmente buoni che Stone li riportò alla Royal Society di Londra, che però non fece altro che prendere atto del fatto che con questo rimedio la febbre malarica era migliorata.

Gli esperimenti di Stone furono ripresi e convalidati dal Samuel James nel 1792 che raccolse moltissimi dati e informazioni che furono utilissimi, in seguito, alla ricerca.

I coloranti e la Bayer: nasce l'aspirina

La scienza andò avanti e nel 1825 il chimico italiano Francesco Fontana isolò per la prima volta la Salicina dal Salice Bianco, nel 1828 il tedesco  Johann Buchner estrasse dalla corteccia i cristalli amari di Salicina e nel giro di dieci anni chimici francesi erano riusciti a sintetizzare l'Acido Salicilico, notando che era un derivato migliore rispetto alla Salicina stessa, e la cui struttura fu poi identificata da Frederic Kolbe nel 1859.

spirea olmaria

Insomma, l'Acido Salicilico era ormai disponibile, ma il suo sapore amaro ed effetti collaterali, in particolare il vomito, ne avevano limitato grandemente l'uso.

Dovette intervenire un ambito della chimica apparentemente del tutto slegato dal contesto farmaceutico per portare avanti la storia: l'industria dei coloranti.

Nella seconda metà dell'ottocento, l'industria legata allo sviluppo dei coloranti di sintesi era in grande crescita e moltissimi chimici lavoravano allo sviluppo di nuove molecole organiche modificando quelle già esistenti, e in particolare furono i primi a proteggere queste scoperte tramite brevetti.

La Bayer, azienda tedesca leader nel settore, decise di espandere le proprie aree di interesse anche nell'ambito farmaceutico, utilizzando come base su cui partire il gran numero di molecole che si producevano come sottoprodotti nelle sintesi dei coloranti.

Assunse, quindi, il chimico Felix Hoffman, il quale era mosso anche da interessi piuttosto personali: suo padre era infatti anziano e soffriva di artrite, ma non poteva più prendere l'Acido Salicilico a causa dei forti effetti collaterali. 

Hoffman modificò l'Acido Salicilico attraverso una reazione di acetilazione e ottenne l'Acido Acetilsalicilico:

Somministrò la nuova molecola ottenuta prima a se stesso e poi a suo padre, riportando effetti più che positivi, che condussero la Bayer a testare il prodotto tramite test clinici, in cui si poté notare scientificamente un miglioramento rispetto all'Acido Salicilico usato precedentemente.

Nel 1899 la Bayer mise in commercio il nuovo farmaco con il nome di Aspirina, dalla pianta Osmaria da cui estraevano la Salicina.

P.S. come funziona?

Per decenni l'Aspirina è rimasta la regina incontrastata dei farmaci da banco, con le sue incredibili proprietà antinfiammatorie e antipiretiche, ma nessuno aveva la minima idea del suo meccanismo di azione.

aspirina

Negli anni '60 il farmacologo Henry Collier scoprì, facendo delle ricerche in vivo su cavie animali, che, a differenza della Morfina che agiva sull'intero organismo, l'Aspirina agiva localmente. Volendone sapere di più, chiamò a lavorare con lui il biochimico John Vane perché lo aiutasse.

Attraverso esperimenti molecolari in vitro, scoprirono che l'infiammazione e il dolore (ma anche la febbre) sono modulati da molecole, impossibili da osservare in vivo, chiamate Prostaglandine.

Quello che l'Aspirina fa è inibire, cioè "spegnere", due particolari forme di un enzima, la cicloossigenasi, che ha il compito di trasformare l'Acido Arachinodico in, appunto, Prostaglandine, in mancanza delle quali non si ha né infiammazione né dolore.

Per questa scoperta, John Vane vinse il premio Nobel nel 1982, entrando quindi anche lui nella lunga storia del farmaco più famoso al mondo e aprendo le porte a nuovi e più efficaci suoi derivati.

Bibliografia:

• Wick, Jeannette. "Aspirin: a history, a love story." The Consultant Pharmacist® 27.5 (2012): 322-329.
• http://www.lescienze.it/news/2012/04/19/news/aspirina_nuovi_effetti_ampk_protein_chinasi-975546/

Matto come un cappellaio: il Mercurio e Lewis Carroll

Alice aveva sbirciato da sopra la spalla del Leprotto Marzolino con una certa curiosità. 

«Che buffo orologio!» osservò. «Dice qual è il giorno del mese, ma non dice l'ora!»

«Perché dovrebbe?» brontolò il Cappellaio. «Forse che il tuo orologio ti dice in che anno siamo?»

«No, naturalmente» rispose Alice con prontezza; «ma è perché ci sta tanto a lungo dentro lo stesso anno».

«E questo è esattamente il caso del mio orologio» disse il Cappellaio.

Alice era terribilmente perplessa. Non c'era alcun dubbio che il Cappellaio parlasse la sua stessa lingua, eppure quel discorso non aveva per lei alcun senso.

[Le Avventure di Alice nel Paese delle Meraviglie - Lewis Carroll]

Sicuramente il capolavoro di Lewis Carroll ha bisogno di poche presentazioni: fra il film di animazione Disney, il più recente di Tim Burton e svariati altri film per la tv, tutti conosciamo Alice, lo Stregatto, la Regina di Cuori e, naturalmente, il Cappellaio Matto.
Un personaggio che ha sempre lasciato il segno nei cuori dei lettori e degli spettatori, tanto da essere diventato ben più famoso della protagonista Alice e praticamente il simbolo del Paese delle Meraviglie, con la sua tuba altissima, le frasi sconnesse e la mania tutta sua per tè e orologi.
Matto come un cappellaio tra l'altro, è una frase di uso comune e lo era ancora di più nell'ottocento, l'epoca in cui Charles Dodgson, vero nome di Lewis Carroll, scriveva il suo iconico romanzo, questo perché la pazzia era, possiamo dire, una malattia professionale per i cappellai dell'epoca, che soffrivano di moltissimi sintomi psichici e fisici dovuti proprio alle sostanze chimiche usate per fabbricare i cappelli di feltro così di moda in epoca vittoriana.

Il Mercurio: un metallo magico

Prima di tutto c'è da parlare di lui: il Mercurio.

Simbolo Alchemico
del Mercurio

Questo elemento ha sempre esercitato un grande fascino sugli uomini: è un metallo dalla brillantezza simile all'argento, ma è liquido a temperatura ambiente, cosa che non accade per nessun altro metallo pesante.
Fin dall'antichità gli si attribuivano quindi proprietà magiche, si riteneva che allungasse la vita, che curasse le fratture e che conservasse la salute.
Dal nome indù del Mercurio deriva la parola alchimia e in questa pratica a metà fra la scienza e la magia il Mercurio giocava un ruolo fondamentale: rappresentava infatti l'anima (dove invece lo zolfo era lo spirito e il sale la materia) ed era considerato uno degli elementi originari da cui discendevano acqua, fuoco, terra e aria.
Nel Medioevo, inoltre, era associato agli Unicorni, creature mitiche simbolo di purezza.
Oggi sappiamo invece che il Mercurio, il cui simbolo è Hg, fa parte dei metalli di transizione (si trova cioè nella parte centrale della Tavola Periodica), ha numero atomico 80, che è l'unico metallo a essere liquido a temperatura ambiente e che è fortemente tossico, soprattutto sotto forma di metilmercurio [CH3Hg]+.

I cappellai dai capelli arancioni

Fabbricare un cappello nell'ottocento era un lavoro lungo e certosino: prima di tutto si sceglieva la pelliccia di un piccolo animale, spesso si optava per le lepri perché erano di facile reperimento e non costavano molto, dopo di che si passava alla fase detta di carotatura, cioè si immergeva la pelliccia in una soluzione arancione di nitrato di mercurio la quale faceva staccare il pelo dalla pelle, e le donava una particolare resistenza ed impermeabilità. 

Se avete visto il film di Tim Burton Alice in Wonderland sicuramente ricorderete che Johnny Depp, interprete del Cappellaio, ha una bizzarra capigliatura arancione. 

Questo non è del tutto frutto della fantasia del regista, infatti accadeva spesso che i cappellai provassero i cappelli sulle loro teste prima che fossero foderati con raso o seta, perciò il nitrato di mercurio usato per la carotatura veniva a contatto con le loro teste e i loro capelli che, col tempo, a volte assumevano proprio una colorazione arancione.

Avvelenamento da mercurio: la sindrome del cappellaio matto

La pazzia dei cappellai è stata una questione molto studiata fin dalla fine dell'ottocento.

Già nel 1938 apparve chiaro come i colpevoli per i sintomi sperimentati dei cappellai, quali tremori, cambiamenti nel comportamento e riflessi esagerati, fossero causati dall'inalazione dei vapori di Mercurio a cui erano esposti a causa della loro professione.

Il Mercurio elementare veniva assorbito tramite la pelle e i polmoni ed entrava in circolo nel sistema vascolare, da cui riusciva facilmente a raggiungere il cervello. 

Qui si accumulava, causando ingenti danni alle cellule nervose: il Mercurio attacca e disattiva, infatti, dei composti contenenti zolfo all'interno delle cellule, questo provoca a sua volta una disattivazione dei mitocondri, organelli cellulari indispensabili affinché la cellula possa produrre energia e funzionare correttamente; così danneggiata, infine, la cellula cerebrale si distrugge, provocando grandissimi danni al sistema nervoso del povero cappellaio che sperimenta cambiamenti di umore e di personalità, tremori, depressione e molti altri sintomi che identificano l'avvelenamento cronico da Mercurio.

Una sindrome così caratteristica e diffusa da aver ispirato uno dei personaggi più iconici della letteratura, ma che nella realtà ha determinato una quantità incredibile di danni per decenni, fino a che la moda non è cambiata e, soprattutto, la ricerca scientifica non ha fatto luce su un elemento tanto affascinante quanto pericoloso come il Mercurio.

Bibliografia:

• Alice nel paese delle meraviglie di Lewis Carroll, Feltrinelli ed.
• http://www.disegnailcentro.it/antropologia/i-3-principi-alchemici/
• VanPatten, Peg, "The Mad Hatter Mercury Mystery" (2002).Wrack Lines. 24. http://digitalcommons.uconn.edu/wracklines/24
• Neal, P.A., Jones, R.R., 1938. Chronic mercurialism in the hatters’ fur cutting industry. JAMA 110, 337–343.
• Feldman, R.G., 1982. Neurological manifestations of mercury intoxication. Occupational neurology. Acta Neurol. Scand. 66 (Suppl. 92), 201–209.

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

Pi Greco: 10 curiosità sulla costante matematica più amata (e odiata) del mondo

Per gli appassionati di matematica il 14 Marzo non è un giorno come gli altri. Si celebra infatti il Pi Day, dalla consuetudine anglosassone di scrivere prima il mese (3) e poi il giorno (14).

In questa giorata fisici, matematici, appassionati di scienza, rendono omaggio alla costante più importante fra tutte cercando, con iniziative ed eventi, di avvicinare soprattutto i giovani a una disciplina molto spesso temuta come la matematica.

1. Cos'è il Pi Greco? 

Il Pi greco, indicato con la lettera greca π, è una costante matematica importantissima ed è definita come il rapporto fra la circonferenza e il diametro di un cerchio.

Viene chiamata anche Costante di Archimede perchè fu lui il primo a calcolarla utilizzando poligoni (fino a 96 lati) inscritti all'interno di circonferenze, calcolando infine l'approssimazione necessaria.

2. Un'infinità di numeri decimali

La maggior parte di noi sa che il Pi greco vale 3.14, ma in realtà nel corso dei secoli sono stati calcolati sempre nuovi numeri decimali.

Newton calcolò le prime 16 cifre decimali e infine i computer arrivarono a contarne fino a 5 miliardi, finchè nel 2013 si arrivò fino a 12 miliardi.

3,14 159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971... praticamete un numero infinito di cifre.

3. Non solo Archimede

Non fu Archimede il primo a tentare di calcolare il Pi greco. Prima di lui ci provarono i Babilonesi che lo calcolarono valere 3.125, poi gli antichi egizi per cui valeva 3.1605 e i cinesi che calcolarono valesse 3.

4. Il Pi greco è ovunque

Sapete quant'è il calcolo fra la lunghezza di un fiume sulla distanza sorgente-foce in linea d'aria?

Naturalmente Pi greco.

Ma non solo. Anche nelle eliche del DNA, nelle pupille, nei cerchi concentrici che si formano quando si getta un sasso nell'acqua, e in moltissime altre figure in natura si può ritrovare questa costante.

5. Il caso O.J.Simpson

Durante il famoso caso giudiziario che vide coinvolta la star del football americano OJ Simpson fu proprio il pi greco a giocare un ruolo fondamentale: un agente non lo prese in considerazione, sbagliando a calcolare l'area di una goccia di sangue usata per identificare il DNA dell'assassino, pertanto le prove non furono convalidate e OJ fu scagionato.

6. La legge dell'Indiana sul Pi greco

Nello stato dell'Indiana si lavorò per molto tempo a un progetto di legge che prevedeva l'assegnazione del valore del pi greco come pari a 3.23.

Il disegno di legge fu redatto dal fisico e matematico dilettante Edward (o Edwin) J. Goodwin che lo presentò alla camera dei deputati dove fu votato all'unanimità. Alla fine però affondò quando fu mostrato al matematico Clarence Abiathar Waldo per il passaggio al senato.

7. Un numero musicale

La cantante pop Kate Bush ha dedicato un intero brano, intitolato proprio Pi, a questa costante, in cui si parla di un matematico ossessionato dalla ricerca delle infinite cifre decimali.

8.  π – Il teorema del delirio

Non solo musica, ma anche grande cinema. Il regista Darren Aronofsky ha infatti dedicato questo film a questo affascinante numero. L'eccentrico e geniale matematico Maximillian Cohen scopre studiando il mercato azionario una relazione fra la teoria del caos e il pi greco, questo lo porterà a essere bersaglio di uno spietato investitore e di un prete ebreo ortodosso che sa che Cohen ha trovato la stringa che codifica il vero nome di JHWH, perduto fin dai tempi della distruzione del tempio di Gerusalemme.

9. Crostata per festeggiare

Il simbolo dei festeggiamenti del Pi Day è la crostata (pie in inglese), fin da quando nel 1988, primo Pi Day in assoluto, un gruppo di manifestanti composto da gente comune e dipendenti dell'Exploratorium di San Francisco marciarono intorno a un edificio di forma circolare per poi dirigersi verso un'enorme crostata preparata per l'occasione.

10. Il compleanno di Einstein

Per pura coincidenza, infine, Albert Enstein è nato proprio il 14 marzo. Il pi greco è una costante di fondamentale importanza in fisica, ed è presente in moltissime fra le formule più utili e rivoluzionarie di questa scienza.

Cinque donne di scienza che hanno cambiato il mondo

Oggi è 8 Marzo ed è la Giornata Internazionale della Donna.

Mentre c'è chi si limita a regalare mimose alle proprie amiche, molti altri invece dibattono su temi ancora troppo attuali come il femminicidio, la disparità di salari, la condizione ancora di sottomissione della donna in moltissime parti del mondo.

Qui, su Del Carbonio e Altre Storie voglio ricordare invece che, nonostante ci sia ancora molto da fare, le donne hanno da sempre e oggi più che mai dato un contributo importante alla scienza.

Ipazia

Vissuta ad Alessandria d'Egitto fra il 350 e il 415 d.C. Ipàzia è stata una matematica e filosofa greca, da molti ritenuta una vera e propria martire del libero pensiero.

Fin da bambina fu istruita dal padre nella matematica e nell'astronimia, diventando ben presto più brillante ed erudita del suo maestro, fino a divenire, già dal 393, capo della scuola filosofica Alessandrina.

Purtroppo non ci sono giunti suoi scritti e tutto ciò che sappiamo di lei deriva da quanto scritto dal suo più fedele allievo, Sinesio, e da filosofi suoi posteriori come Socrate Scolastico che di lei dice:  «era giunta a tanta cultura da superare di molto tutti i filosofi del suo tempo, a succedere nella scuola platonica riportata in vita da Plotino e a spiegare a chi lo desiderava tutte le scienze filosofiche. Per questo motivo accorrevano da lei da ogni parte tutti coloro che desideravano pensare in modo filosofico».

Fu così rispettata che il suo potere divenne anche in un certo senso politico e ben presto il suo insegnare pubblicamente nelle piazze una filosofia e una astronomia di chiara deriva ellenica, cioè pagana, divennero motivo di scontro fra i filosofi della scuola alessandrina, fra cui proprio Ipazia, e la Chiesa Cristiana che si era insediata ad Alessandria e che portava avanti un'opera di distruzione di qualsivoglia forma di paganesimo.

La vicenda culminò con l'omicidio della donna ad opera di un gruppo di cristiani. 

La figura di Ipazia è però così radicata nel pensiero comune che ancora oggi sono decine i romanzi, i film, i dipinti, ispirati a lei.

Elena Lucrezia Corner Piscopia

Quinta figlia di uno degli esponenti delle più importanti famiglie Veneziane nel 1600.

Spronata dal padre, che accortosi delle doti di sua figlia intendeva portare ancora più lustro alla famiglia, Elena crebbe in un ambiente in cui la fisica era di casa (il suo bisnonno era stato amico di Galileo Galilei) e in giovane età si fece oblata benedettina, in modo da poter unire la sua vocazione religiosa con la volontà di proseguire gli studi.

Dopo che ebbe tenuto una disputa pubblica di filosofia in latio e in greco, suo padre chiese che Elena venisse iscritta alla facoltà di Teologia, ma il Vescovo di Padova si oppose fermamente, ritenendo oltraggioso che una donna si desse a questo tipo di studi.

Ne scaturì una disputa che si risolse con il compromesso: una laurea in filosofia.

Nonostante le fosse proibito esercitare l'insegnamento, Elena fu la prima donna ad ottenere un dottorato nella storia, il 25 giugno 1678.

Morì a soli 38 anni, ma ilsuo fu un contributo fondamentale alla storia delle donne nella scienza.

Maria Skłodowska 

Meglio nota come Marie Curie fu la prima donna a ricevere un premio Nobel per la sua attività scientifica e l'unica donna a riceverne due e la prima donna a ottenere una cattedra alla Sorbona.

Grande memoria, capacità di concentrazione e una sete di sapere inesauribile, Maria è la beniamina dei suoi insegnanti e si laurea in fisica e matematica alla Sorbona di Parigi.

Insieme a suo marito Pierre Curie, si occupa degli studi sulla radioattività nel 1903, mentre ne riceverà un altro, questa volta da sola, in chimica grazie alla scoperta di due nuovi elementi, il Radio e il Polonio., nel 1911.

Sicuramente quando siparla di donne che hanno cambiato il corso della scienza, Marie Curie è una delle prime a venire in mente, il suo contributo è stato importantissimo in un periodo in cui le donne iniziavano a combattere per i propri diritti e per poter avere le stesse possibilità e opportunità degli uomini.

Marie ha dimostrato che le donne e gli uomini possono collaborare per ottenere grandi risultati, ma soprattutto che le donne possono fare grandi cose grazie solamente alla propria intelligenza e al duro lavoro.

Dorothy Crowfoot Hodgkin

Premio Nobel per la chimica nel 1964, Dorothy è stata una pioniera negli studi sulla cristallografia a raggi X, una tecnica utilizzata poer ottenere la struttura tridimensionale di molecole.

Nel 1934 per la prima volta, assieme al suo supervisore, riesce a fotografare alcuni cristalli di pepsina, un enzima che si trova nei succhi gastrici, dimostrando le enormi potenzialità dei raggi X applicati alle molecole biologiche.

Andando contro l'etichetta, dopo essersi sposata, continua a firmare i suoi lavori con ilsuo cognome da nubile e, pur malata di artrite reumatoide, prosegue i suoi studi sulle molecole biologiche, dall'insulina al colesterolo, dalla vitamina B12 alla penicillina.

In particolare i cristalli di insulina erano troppo complicatiper essere analizzaticon gli strumenti dell'epoca, quindi Dorothy perfezionò lei stessa la tecnica dei raggi X per decenni, fino a ottenere la struttura dell'insulina nel 1969, nel trentacinque anni dopo il primo tentativo.

Dopo aver ottenuto il premio Nobel, ottiene anche la Medaglia dell'Ordine al Merito del Regno Unito, seconda donna nella storia e prima scienziata.

Rita Levi Montalcini

Una delle più grandi donne del nostro tempo, premio Nobel per la medicina, unica donna italiana ad aver vinto questo premio nella scienza, senatrice a vita della Repubblica Italiana.

Si è occupata per tutta la vita di neuroscienze ed è proprio grazie alla scoperta nella proteina NGF, che le è valso il Nobel (insieme al suo collaboratore  Stanley Cohen) se questo ambito assume sempre maggiore importanza nelle scienze naturali.

Ha lavorato per lo più negli Stati Uniti, ma ha fatto molto per l'Italia: crea a Roma un centro di ricerca sul NGF, fonda e dirige l'Istituto di Biologia Cellulare presso il CNR, fonda l’EBRI (European Brain Research Institute) sempre a Roma, fonda la sezione italiana della Green Cross International, riconosciuta dalle Nazioni Unite, e scrive ancheun libro per ragazzi intitolato "Le tue antenate" in cui parla proprio di donne pioniere nella scienza, che hanno dovuto lottare per entrare nei laboratori e per veder riconosciute le loro scoperte. Sicuramente una dei più fulgidi esempi di donne scienziate dei giorni nostri.