Nobel per la chimica 2011: una lezione per tutti

di Riccardo Spezia.

"Quasi Crystal: Islamic Pop Art" di the Humanette

Sono di questi giorni gli annunci dei premi Nobel 2011, che come tutti gli anni si attendono con impazienza, rincorrendo voci e animando, una volta resi noti, discussioni, polemiche, a volte esultanze. In genere questo avviene soprattutto per il premio per la pace, a causa  delle grandi implicazioni politiche (ricordiamo Obama nel 2009 e Liu Xiaobo nel 2010), per la letteratura, a volte per l’economia o la medicina, in qualche raro caso per la fisica. Ma già in quest’ultimo caso, trattandosi di argomenti già digeriti dalla comunità, non fa mai molto scalpore, soprattutto quando, come quest’anno, avviene pochi giorni dopo l’annuncio sui neutrini superluminali. Al massimo, quando succede, l’italianità del premiato riesce a mettere la notizia in maggiore risalto. Poi sull’argomento si riesce, talvolta, a farlo comprendere alla popolazione, in misura maggiore o minore a seconda del caso e, come è naturale, sempre in modo generico e “grossolano”. Si parla quindi di astronomia o cosmologia, oppure di materiali innovativi o circuiti conduttori. In ogni modo però la fisica la si riesce sempre a comunicare in modo direi soddisfacente al grande pubblico (anche se ovviamente facendo grandi semplificazioni).

Tra i premi Nobel originari (il premio per l’economia non era stato previsto da Alfred Nobel ed è stato istituito solo nel 1969) esiste un premio che attira poco il grande pubblico, ma che, al pari degli altri, rappresenta una misura di eccellenza nel suo campo: il premio per la chimica. E’ sempre curioso notare come si riesca solo raramente a comunicare al grande pubblico il senso delle scoperte in chimica, anche quando queste sono ammantate dall’aura di immortalità che il premio Nobel conferisce. Sarà forse perché solo un italiano lo ha vinto, Giulio Natta nel 1963 insieme a Karl Ziegler ‘per le loro scoperte nel campo della chimica e della tecnologia dei polimeri’ [1] recita la motivazione del premio, o perché l’idea che si ha nella società della chimica è, nella migliore delle ipotesi, quella di una materia noiosa e infestata da professori arcigni lasciata con piacere sui banchi di scuola, o, nella peggiore, quella di porto Marghera, tumori e inquinamento. Eppure è una scienza “dura” come la fisica, basata su esperimenti rigorosi e che cerca spiegazioni “semplici” sul mondo che ci circonda, limitandosi alle proprietà di atomi e molecole. Meno facilmente poetica della fisica, quando si inabissa nell’immaginifico mondo sub-atomico o si lancia tra galassie e universi, ma ugualmente interessata alla realtà, alla materia, e ai suoi comportamenti che riguardano ciò di cui è fatto tutto ciò che ci circonda, noi compresi. E in molti casi, come per il Nobel di quest’anno, altrettanto artistica e potenzialmente affascinante anche per il grande pubblico.

Quest’anno il premio infatti è stato conferito ad una sola persona, Dan Shectman, attualmente professore di scienze dei materiali presso il Technion di Haifa, in Israele, per la scoperta dei quasi-cristalli. Un Nobel per una chimica che è alla frontiera con la fisica, infatti Shectman ha conseguito nel 1999 il premio Wolf per la fisica e il suo articolo seminale è uscito nel 1984 su Physical Review Letters [2], una delle riviste principali della fisica. Un confine incerto, come è naturale che sia quando si investiga la struttura della materia, definita in genere come quella branca della scienza che studia la materia nel suo stato “normale”, ovvero a temperature e pressioni ragionevoli, dove gli atomi rimangono tali e non ci si preoccupa di ciò che succede al loro interno, dove si formano molecole, e dove sono stabili, alternandosi in funzione delle condizioni di temperatura e pressione, i tre principali stati di aggregazione, gas, liquido e solido. E su quest’ultimo stato, e in particolare sui solidi cristallini, vertevano le ricerche di Shectman negli anni 80 quando arrivò alla scoperta di questi “cristalli curiosi”. Nei documenti editi dalla fondazione Nobel [3] vengono  messi in risalto non solo l’originalità della scoperta, ovvero quella di un tipo di cristalli sconosciuti prima, ma anche il modo con cui ci si è arrivati. Quando infatti il “povero” Dan Shectman si ritrovò tra le mani i primi segni dei quasi-cristalli fu mandato dal suo capo del NIST (l’istituto nazionale americano degli standard e delle tecnologie) a rileggere i libri di testo della cristallografia. Una scoperta che si presta bene a costruire una storia, tant’è che, a differenza di molte altre, ha un giorno di inizio: l’8 aprile 1982, quando nel suo quaderno di laboratorio Shectman annota “10 fold !!!”, ovvero “10 volte” che nel linguaggio cristallografico significa una simmetria 10, ovvero un oggetto che ruotato di un decimo di angolo giro produce la stessa immagine. In realtà poi si trattava di una simmetria 5, come trovato da una più attenta analisi, ma in entrambi i casi si trattava di simmetrie proibite per la cristallografia tradizionale, “contro ogni logica” e “sbagliato secondo i libri di testo”, come recitano due paragrafi del documento per la stampa che la fondazione Nobel ha editato per il premio 2011 [3]. Questo perché per generare una figura di rifrazione è necessario che i componenti del cristallo (atomi, ioni o molecole) siano ordinati in modo da ripetere le figure a distanze preordinate, così che quando la luce o gli elettroni gli sono lanciati contro generino le cosiddette figure di rifrazione (date dal fatto che le creste e/o le gole delle onde interferiscono positivamente o negativamente). Come ben spiegato dalle figure degli articoli sul sito della fondazione Nobel [3], questo è possibile solo nel caso di simmetrie a 3, 4 o 6, mentre nel caso di simmetrie a 5 (o maggiori di 7) non è possibile farlo senza cambiare le distanze, rendendo quindi impossibile un ordine traslazionale. Per farla breve, Shectman aveva delle figure di diffrazione, e allo stesso tempo sosteneva di avere una simmetria impossibile per un cristallo, anche secondo la definizione che la IUPAC (l’Unione Internazionale della Chimica Pura e Applicata, che definisce le norme, le nomenclature e le unità) recitava fino al 1992:  “un cristallo è una sostanza in cui i costituenti, atomi, molecole o ioni, sono impacchettati secondo una regolarità ordinata, che si ripete nelle tre dimensioni”. Quello che Shectman credeva di aver visto era quindi qualcosa di “impossibile” (e quindi sbagliato), tant’è che il suo capo del NIST lo mandò via dal suo gruppo. Tornato in Israele, continuò le sue ricerche nel campo di questi cristalli “bizzarri” finché insieme ad altri ricercatori che controllarono i suoi risultati non riuscì a pubblicare questa anomalia. La spiegazione dell’ordine “quasi-cristallino” fu possibile unendo i suoi risultati sperimentali alle ricerche teoriche di matematici e fisici (tra cui spicca Penrose) che avevano ipotizzato “cristalli aperiodici”, qualcosa che lega insieme la matematica e l’arte, se vengono citati come “esempi” i mosaici del palazzo dell’Alhambra in Spagna o le volte del Darb-i Imam Shrine in Iran. E infatti Penrose quando riesce a costruire il suo mosaico a simmetria 5 privo di ogni simmetria traslazionale con sole due tessere parla chiaramente del ruolo dell’estetica nella ricerca, pura e applicata [4].

Qualcosa che però diventa chimica e fisica nel momento in cui vengono osservati. Estetica e arte che quindi si sono ritrovate poi in cristalli reali e questo aspetto è sottolineato nelle motivazioni dell’assegnazione del Nobel molto più di sue possibili implicazioni pratiche.

Resta però il problema delle figure di diffrazione, come è possibile spiegare il paradosso? Un’osservazione deve trovare una sua spiegazione per far compiere un vero passo avanti alla scienza. In realtà, partendo dalle figure di Penrose, Alan L. Mackay, del Birkbeck College di Londra aveva mostrato come fosse possibile ottenere delle figure di diffrazione [5]. Restavano però oggetti teorici, curiosi e interessanti, belli più che utili, ipotetici e possibili ma non ancora reali. Invece pochi anni dopo furono osservati e da allora se ne sono trovati molti, anche naturali. La spiegazione risiede nel fatto che esiste una relazione di “similarità” degli oggetti e, per farla semplice, come noi possiamo rendercene conto ammirando i mosaici dell’Alhambra se ne accorgono anche le onde che quindi formano le figure di diffrazione.

Così l’arte si unisce ad una scienza apparentemente arida come la cristallografia, che consiste in pignole analisi quotidiane di picchi e linee, di numeri e sequenze, fino a cambiare il nostro modo di intendere un concetto, quello di cristallo appunto, che, a partire dagli studi di Shectman, la IUPAC ora definisce come “ogni solido con una figura di diffrazione essenzialmente discreta”. Una definizione più generale che rende possibile nuove tipi di scoperte e altri tipi di cristalli.

Il Nobel viene quindi assegnato per la scoperta di qualcosa che prima non sembrava possibile, indipendentemente dai suoi risvolti tecnologici (i quasi-cristalli intermetallici sono particolarmente duri e hanno insolite proprietà di trasporto ma non per questo è stato assegnato il premio), ma per aver aumentato la nostra conoscenza su come può essere fatta la materia che ci circonda.

Infine, similmente al premio Nobel della fisica 2011, assegnato a Perlmutter, Schmidt e Riess per “la scoperta dell’espansione accelerata dell’universo grazie all’osservazione di Supenovae lontane” [6], i cui esperimenti furono iniziati pensando di trovare una decelerazione nell’espansione dell’universo e i cui risultati hanno portato a nuove domande sulla materia e l’energia oscura che sembrano così essere predominanti nell’Universo, anche il  Nobel per la chimica del 2011 ci insegna qualcosa di più generale, “un’importante lezione per la scienza” conclude il documento ufficiale. Si sottolinea infatti come ancora una volta nella storia della scienza i ricercatori abbiano dovuto compiere molti sforzi per combattere quelle che erano “verità” stabilite e che si sono rilevate essere mere assunzioni. Vizio della “verità della tradizione” che non risparmia neanche i migliori scienziati, tant’è che uno dei più feroci critici di Shectman fu quello stesso Linus Pauling due volte premio Nobel (per la Chimica nel 1954 e per la Pace nel 1962). Apertura mentale e audacia nel dubitare su ciò che sembra stabilito possono essere infatti uno dei più importanti tratti del carattere di uno scienziato, conclude la fondazione Nobel nell’assegnare il premio a Dan Shectman.

Una lezione che dovrebbe valere non solo per gli scienziati ma per tutti i cittadini che vogliano migliorare il presente, un esempio di come la scienza possa essere didattica, importante e democratica e quindi fondamentale in una società di cittadini liberi e consapevoli.

1)  “The Nobel Prize in Chemistry 1963″. Nobelprize.org. 8 Oct 2011 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1963/

2) Shectman, D., Blech, I., Gratias, D., and Cahn, J.W. [1984] Mettallic phase with long-range orientational order and no translational symmetry, Physical Review Letters 53 [20]: 1951-1954.

3)  “The Nobel Prize in Chemistry”. Nobelprize.org. 8 Oct 2011 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/

4)  Penrose, R. [1974] Role of aesthetics in pure and applied research, Bulletin of the Institute of Mathematics and Its Applications 10: 266.

5)  Mackay A. L. [1982] Crystallography and the Penrose Pattern, Physica A114, 609-613.

6)  “The Nobel Prize in Physics 2011″. Nobelprize.org. 9 Oct 2011 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/

iMille.org – Direttore Raoul MinettiiMille.org – Direttore Raoul Minetti