L’Assemblea generale delle Nazioni Unite ha proclamato il 2020 “Anno internazionale della salute delle piante” (IYPH). Questo fa capire quanto siano importanti queste creature, soprattutto nel contesto odierno così tempestato di calamità che ne mettono a rischio l’esistenza. Gli episodi in Siberia, in Amazzonia e in Australia hanno fatto impennare in breve tempo il termometro della preoccupazione riguardo la salute del nostro pianeta. Salute del pianeta, è doveroso ricordarlo, in ovvio legame con la possibilità di sussistenza in vita del genere umano.

Devo dire sinceramente che, dal punto di vista chimico, l’importanza delle piante può essere ricondotto a pochi elementi, in effetti. Uno di questi è certamente la fotosintesi clorofilliana, perché è la reazione chimica che “pompa” termodinamicamente energia vitale a partire dall’energia luminosa emessa dal sole. Una volta che questa energia luminosa è stata convertita in energia chimica e immagazzinata dentro le piante, o più in generale negli organismi fotosintetici, può essere poi utilizzata anche dalle altre specie viventi all’interno del nostro pianeta.

Alla fin fine questa pompa vede coinvolti pochi atomi: l’idrogeno, l’ossigeno e il carbonio, più pochi altri.

E’ sicuramente un ottimo spunto per iniziare finalmente a parlare di questi atomi e senza esitazione inizierò con il carbonio perché, oltre ad essere un protagonista della fotosintesi clorofilliana, è un elemento molto particolare: viene utilizzato in varie forme in tantissimi campi tecnologici nella scienza dei materiali più moderna e non. E’ una caratteristica, se vogliamo, che non hanno gli altri elementi coinvolti nella pompa chimica di energia fotosintetica.

La peculiarità del carbonio nasce dal fatto che può formare molto semplicemente polimeri, cioè può legarsi con se stesso un po’ come i vagoni di un treno sono collegati uno di seguito all’altro. Ecco, in quest’analogia il treno rappresenta il polimero, il singolo vagone invece rappresenta la singola molecola a base carboniosa o lo stesso singolo atomo di carbonio, non importa.

Ci sono treni con un’infinità di vagoni che se volessimo contarli al passaggio potremmo perderne il conto… è vero? ecco… la marcia in più che il carbonio ha, contrariamente ai vagoni del treno, è che il carbonio può formare quattro legami, quindi di legami chimici non ne ha soltanto uno davanti e uno dietro, ma ne ha altri due ai lati. Immaginiamo quindi, nell’analogia col treno, che un vagone possa legare altri vagoni anche ai lati, oltre che davanti e dietro. Sarebbe un treno ramificato; inoltre, questi ganci laterali possono puntare anche un po’ verso l’alto o verso il basso.. quindi queste ramificazioni formano strutture tridimensionali e non solo planari.

Ma non è l’unica marcia in più, perché questi legami sono in qualche modo flessibili, così questi treni, un po’ come i modellini dei bimbi, possono stirarsi, attorcigliarsi, formare eliche e strutture molto più grosse dalle forme più disparate.

Un’altra marcia in più è il fatto che ciascuno di questi atomi di carbonio può legare anche altri atomi del sistema periodico, in pressoché qualunque punto. Pensate a quante posizioni possibili ci sono a disposizione e quanti tipi di atomi possiamo così inserire. Ogni atomo diverso dal carbonio dà caratteristiche aggiuntive, così come la posizione di inserimento.

Avete capito che la varietà è INFINITA, se non altro perché non c’è un limite teorico al numero di atomi concatenabili, né al numero di ramificazioni, né al numero di atomi non carboniosi si possono inserire, né c’è limite alle loro posizioni…

Credo che il carbonio possa rappresentare il protagonista di un inno alla fantasia, quella naturale che sfrutta questa varietà per formare strutture molecolari funzionali alla vita, soprattutto quella intelligente.

Una parte della chimica è quella che, per motivi storici, viene ancora chiamata la chimica del carbonio, meglio chiamata chimica organica. Se pensiamo che solo una piccola parte della chimica è questa del carbonio, che già di per sé è infinita, immaginiamo quanto più “infinita” (mi passi quest’espressione) possa essere la chimica tutta.

Ben se ne accorse Giulio Natta, premio Nobel assieme a Karl Ziegler nel 1963, che mise a punto un metodo basato su catalizzatori per orientare la crescita spaziale di un particolare polimero, il polipropilene rendendolo (scusate il tecnicismo) isotattico.

Sappiamo tutti quanto sia importante il polipropilene nella vita di tutti i giorni. Forse è stato considerato così miracoloso che se ne è fatto abuso, unitamente all’ imperdonabile miopia del consumismo usa-e-getta, che ne ha saturato i mari, salvo poi adesso correre ai ripari.

Come a dire… la chimica fa miracoli ma paradossalmente il consumismo e la stupidità umana usano i miracoli per rovinare l’esistenza del pianeta. Certo, sempre meglio correre ai ripari tardi che mai.

Altre forme, cosiddette “finite” del carbonio hanno invece fruttato il nobel ad altri scienziati. Kroto, Curl e Smalley hanno vinto il Nobel nel 1996 per la scoperta del Fullerene, un composto del carbonio a forma di palla, un po’ come una pallone di calcio, con tanto di pentagoni ed esagoni, dove gli atomi di carbonio stanno alle giunzioni delle cuciture e dove dentro il pallone c’è il vuoto assoluto. Il nome deriva dall’architetto Richard Buckmister Fuller, famoso per le cupole geodetiche reticolate sicuramente affascinanti. Tant’è che il composto C60, uno dei fullereni possibili, è stato chiamato proprio buckmisterfullerene.

Il fullerene è quindi un pallone di atomi resistente, leggero e vuoto dentro, ma con la superficie fatta dia tomi di carbonio e quindi, come già detto…. incatenabili a mo’ di trenino. Quindi il fullerene può essere a sua volta mattone di una struttura più complessa, un po’ come mostrato graziosamente nel film di fantascienza “The andromeda strain” di Ridley e Tony Scott del 2008 (remake del film datato 1971), dove i protagonisti svelano un messaggio cifrato proveniente da altre epoche nella struttura sopra-molecolare di un materiale contenente fullereni

La scoperta del Fullerene riserva belle sorprese: Smalley e e Curl dell’università di Rice nel Texas iniziarono a collaborare con Kroto. Quest’ultimo voleva studiare la formazione di composti carboniosi nello spazio interstellare. Avendo letto un articolo di spettrometria laser dei due nel Texas, li convinse ad usare il loro apparato per riprodurre le condizioni di una gigante rossa, sparando un fascio laser su una superficie di grafite per scaldarlo a temperature vicine (si fa per dire) a quelle delle stelle, e soffiarci dell’elio per indirizzare i prodotti della reazione verso un analizzatore. Così mentre cercavano di studiare le condizioni stallari, scoprirono una forma di carbonio nuova. Quando si dice Serendipity… cerchi una cosa, ne scopri un’altra.

Se la storia della scoperta fu abbastanza semplice per il fullerene, un po’ più articolata è stata quella di un’altra forma del carbonio, quella dei nanotubi di carbonio, tubi cavi sottilissimi milionesimi di millimetro fatti di atomi di carbonio. Sono cento volete più resistenti dell’acciaio ma 6 volte più leggeri. Sembra essere il materiale ideale per costruire l’ascensore lunare, un fantomatico ascensore per la luna fatto da un cavo eccezionalmente resistente, di cui si narra nel grazioso romanzo del 1979 di Arthur ClarkeLa Fontana del Paradiso“. La storia della scoperta dei nanotubi ha inizio negli anni ’50 con dei lavori russi che pubblicarono le loro scoperte in riviste russe, scritte quindi nella poco popolare lingua russa e di conseguenza poco lette nel mondo. Nel 1991 Lijima li trovò nel particolato carbonioso di un arco elettrico e poi a fine anni novanta iniziarono a farci i primi transistor, sia alla Delft University che all’IBM.

Ma, non dimentichiamolo, il carbonio è il costituente del diamante, il materiale più duro conosciuto che deve questo suo particolare primato alla struttura impacchettata degli atomi di carbonio. Una struttura diversa darebbe la grafite che paradossalmente è la forma più stabile. Non è vero quindi che un diamante è per sempre, come vorrebbe farci credere la pubblicità perché col tempo qualunque diamante tende a trasformarsi in grafite, che pure interessanti proprietà ha, ma certo non è prezioso come il diamante. Per fortuna, grazie alla sua metastabilità, lo fa in tempi così lunghi da non essere osservabile nei periodi “umani”

Ma basta una temperatura di 2000 gradi ed ecco che il diamante si converte in grafite. E attenzione che se c’è ossigeno in abbondanza (ossigeno liquido) potrebbe anche “bruciare” come qualunque pezzo di carbone. Ma per fortuna queste condizioni non sono comuni, quindi continuiamo ad apprezzare il diamante con le sue qualità, simbolo di una bellezza che va oltre e che si estende a tutte la altre sue forme, quelle vitali incluse.

ecco un paio di interviste al riguardo:

Pietro Calandra-Solo Cose Belle 23/02/2020

Pietro Calandra – Solo cose belle 29/02/2020