Il Fullerene e il nanomondo - La scoperta della molecola più bella

Nel 1985, nel suo laboratorio alla Rice University di Houston, Rick Smalley stava lavorando ad un esperimento sugli aggregati di carbonio, piccole particelle fatte da una manciata di atomi. Aveva sicuramente tanti pensieri per la testa, ma di certo non immaginava che stava per fare una delle più affascinanti scoperte del XX secolo; una scoperta che una decina d’anni dopo gli varrà il premio Nobel per la chimica. Non solo. Una scoperta che avrebbe aperto la strada a ciò che oggi chiamiamo nanotecnologia.


Fonte immagine: lifeboat.com

Immaginate di essere l’impiegato di una società di sondaggi incaricata di studiare l’hobby della lettura. Buongiorno, sono bla bla bla quanti libri possiede? Sessanta. Grazie. Buongiorno, sono bla bla bla quanti libri possiede? Sessanta. Grazie. Buongiorno, quanti libri possiede? Sessanta. Quanti libri? Sessanta. Quanti libri? Sessanta. Quanti? Sessanta. Sessanta. Sessanta. Sessanta…
Di certo non penserete se sessanta libri sono tanti o sono pochi per l’hobby della lettura, penserete piuttosto perché diavolo ne hanno tutti, ma proprio tutti, sessanta. Mi stanno forse prendendo in giro? Impossibile, la cosa è molto curiosa!


Nel 1985, nel suo laboratorio alla Rice University di Houston, Rick Smalley stava lavorando ad un esperimento sugli aggregati di carbonio, piccole particelle fatte da una manciata di atomi. Aveva sicuramente tanti pensieri per la testa, ma di certo non immaginava che stava per fare una delle più affascinanti scoperte del XX secolo; una scoperta che una decina d’anni dopo gli varrà il premio Nobel per la chimica. Non solo. Una scoperta che avrebbe aperto la strada a ciò che oggi chiamiamo nanotecnologia.

E pensare che la questione era di tipo astrofisico: cosa c’è nelle immense praterie dello spazio interstellare? Non c’è proprio nulla? A giudicare dalla radiazione che proviene da quei luoghi remoti qualche cosa ci deve essere, forse piccoli aggregati di carbonio, dicevano gli astrofisici. E allora perché non provare a riprodurli e a studiarli sulla Terra?


L’esperimento di Rick si chiama spettrometria di massa. Si spara un impulso laser su un disco di grafite, questo si scalda così tanto, ma così tanto, da evaporare atomi di carbonio. Siccome però gli atomi di carbonio non sono dei solitari, gli piace stare in compagnia, ridere e scherzare, ecco che si riuniscono subito a gruppetti. Questi sono gli aggregati atomici di carbonio. La spettrometria di massa conta quanti sono i gruppi di una certa dimensione: ehi voi, quanti sono i gruppi fatti da dieci atomi? Siamo duemilacinquecento. Quanti sono i gruppi da undici atomi? Siamo duemilanovecento. E così via…


Quando Rick iniziò la conta vide che tutti gli aggregati erano fatti da sessanta atomi, e si sentì un po’ come il nostro intervistatore, all’inizio della storia. Ma perché diavolo sono tutti di sessanta atomi? Perché non ce n’è nessuno da –che so– venticinque, o centocinquanta? E perché non ve ne sono da cinquantanove o da sessantuno? In fondo c’è solo un atomo di differenza.


Una cosa fatta da sessanta atomi di carbonio con il linguaggio della chimica si chiama C60, e a quel punto era un po’ come giocare al LEGO al contrario: si sapeva il numero di mattoncini utilizzati e da questo si doveva capire com’era fatto l’oggetto, il C60.
Molto spesso le singole scoperte scientifiche sono difficili da capire se non si è addetti ai lavori. Il progresso della conoscenza avanza faticosamente, un pezzettino alla volta, come un torrente di montagna che si fa strada fra i sassi, e se ne può apprezzare la bellezza e il contributo all’umanità solo su tempi lunghi. A volte però il torrente fa un balzo e forma una bella cascata, e noi ci fermiamo, guardiamo, scattiamo foto. A volte una scoperta scientifica si può capire, è elegante, è bella.


Fonte immagine: spin.fh-bielefeld.de

Ed eccola lì la soluzione dell’esperimento di Rick e la scoperta: i sessanta atomi di carbonio sono i vertici di un icosaedro tronco, il pallone da calcio, dodici pentagoni e venti esagoni. Un oggetto che ha esattamente sessanta vertici, che non si può fare con cinquantanove, con sessantuno, né con ogni altro numero. Un oggetto già noto agli antichi greci per la sua simmetria, un solido platonico, e già da tempo illustrato nei trattati di geometria.


Ma anche un oggetto dove la curiosa proprietà dei pentagoni di incurvare un piano (provate a piastrellare un pavimento con mattonelle pentagonali, è impossibile!) permette di costruire una sfera a partire da figure piane, i pentagoni appunto e gli esagoni. Una sfera che poi ritroviamo ovunque: negli stadi, nei campetti di periferia, dietro un vetro rotto… E quando, qualche mese più tardi nel novembre 1985, Rick pubblicò la sua scoperta in una lettera alla rivista Nature, la figura 1 era proprio il pallone da calcio: “A football (in the United States, a soccerball) on Texas grass. The C60 molecule featured in this letter is suggested to have the truncated icosahedral structure formed by replacing each vertex on the seams of such a ball by a carbon atom (Un pallone sull’erba del Texas. Ipotizziamo che la molecola C60 descritta in questa lettera abbia la struttura dell’icosaedro tronco che si ottiene mettendo un atomo di carbonio al posto dei vertici nelle cuciture di questo pallone)”.


Fonte immagine: www.fis.unipr.it

Dunque accadeva questo: per la natura dei legami chimici del carbonio, gli atomi liberati dal calore infernale del laser si riunivano a formare tanti piccolissimi palloni di calcio, una nuova molecola di carbonio puro, una nuova forma possibile per il carbonio, oltre alle due già ben note della grafite e del diamante. Con una differenza sostanziale però: questi hanno simmetrie cristalline teoricamente illimitate, che vengono distorte ai bordi, come la trama e l’ordito di un tessuto non si estendono all’infinito ma hanno una cucitura che “ferma la simmetria”; il C60 no, la sua struttura è simmetrica e illimitata, come uno strano tessuto dove trama e ordito sono chiusi su se stessi, o, come direbbero i chimici, dove tutti i legami sono saturati.


E così la natura svelava la capacità della materia di auto-assemblarsi in forme nuove, in oggetti a metà strada fra il mondo degli atomi e il mondo macroscopico, fra il mondo dei fenomeni bizzarri descritti dalla meccanica quantistica e il mondo più familiare della fisica classica e delle sue leggi, che utilizziamo per costruire ponti, aerei, e motori. Un mondo a metà strada, arricchito dalle peculiarità dell’uno e dell’altro, dove gli oggetti hanno le dimensioni del milionesimo di millimetro: il nanomondo. Da allora scienziati e tecnici si sono inoltrati come esploratori nel nanomondo, animati dalla convinzione che da lì sarebbero arrivate nuove sorprese e nuove applicazioni tecnologiche. Fra alti e bassi, la nanotecnologia vive tuttora un’euforia da nuova frontiera, e, in fondo, a venticinque anni ci si affaccia appena all’età adulta…


Fonte immagine: www.worldofmolecules.com

Rimaneva una questione importate: il nome. Rick non si poteva certo accontentare di C60, ci-sessanta, che in inglese suona pure come uno scioglilingua, sisixti. Serviva un nome evocativo e vari ne vennero in mente, come ballene, spherene, soccerene, carbosoccer (che in italiano suonerebbe come carbonio-da-calcio o carbocalcio o qualche mostruosità del genere). La scelta cadde su buckminsterfullerene, nome tuttora in uso, spesso accorciato nei più semplici buckyball o fullerene.


Buckminster Fuller era un architetto attivo nella prima metà del secolo scorso, cos’ha in comune con il C60? Ebbene, lui fu l’ideatore delle cosiddette cupole geodesiche, quelle strutture leggere, agili e curvate, costituite dall’intreccio di numerosi tubi, che oggi si trovano ovunque, a copertura dei campi da tennis o da calcetto. La scelta fu, in un certo senso, visionaria. Così come le strutture di Fuller possono essere assemblate in modo da ottenere in linea di principio qualsiasi tipo di curvatura, anche i legami chimici fra gli atomi di carbonio avrebbero potuto generare qualsiasi tipo di superficie curva alle scale nanometriche. Ed effettivamente, da allora, numerose strutture nanometriche formate dal carbonio sono state osservate.


Qualche anno fa Rick se n’è andato e oggi alla Rice quasi nessuno si ricorda più dove si trovasse il suo laboratorio. Non per dimenticanza però, ma perché tali e tanti sono stati i cambiamenti laggiù dopo la sua scoperta: nuovi laboratori, nuovi istituti e centri di ricerca, a fare di Houston una delle punte di diamante della ricerca nanotecnologica, ultimamente proiettata vero le mete ambiziose della nanomedicina.
Questa è la storia della molecola più bella. Una storia che inizia quando gli aggregati risposero siamo tutti di sessanta atomi! Nella quale si intreccia l’astrofisica con la geometria, la chimica con l’architettura, la fisica con la biologia e la medicina, in una interdisciplinarietà che è poi la vera cifra della nanotecnologia… Anche se difficilmente penseremo a tutto questo dopo aver segnato un gol in una partita di calcetto invernale, quando alzando lo sguardo per esultare vedremo sopra la nostra testa una cupola geodesica di Fuller.



Emanuele Barborini, PhD
Head of Applicative Research
TETHIS spa - GENEXTRA group

Scritto da

Emanuele Barborini, PhD
Head of Applicative Research
TETHIS spa - GENEXTRA group

Nature

Leggi l'articolo della rivista Nature (.pdf, 210 K) del 14 novembre 1985 che presenta la scoperta.

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