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dal micro al macro: le ragioni molecolari delle proprietà dei materiali

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Le proprietà degli oggetti con i quali abbiamo a che fare nella nostra vita quotidiana, o meglio le caratteristiche dei materiali dei quali sono costituiti e che stanno alla base della loro funzione, deriva dalle proprietà delle molecole che compongono questi stessi materiali.
Sembrerebbe a prima vista una tautologia, e come tale infatti questa affermazione si può tranquillamente capovolgere: le caratteristiche e le proprietà delle molecole si riflettono, amplificate, nelle proprietà macroscopiche,disegnare immagini ingrandite con il pantografo queste sì percepibili con i nostri sensi, degli oggetti che si compongono di queste molecole.
Dal micro al macro, una sorta di pantografo ideale trasmette, amplificandone, le proprietà di molecole, la cui scala si misura solitamente in angstrom, sul mondo degli oggetti in scala umana, quelli che si possono vedere e toccare con mano, grandi centimetri o anche molti metri.

Uno dei principi fondamentali della chimica, che abbiamo già avuto modo di descrivere ampiamente già in altri interventi, riguarda la relazione struttura-proprietà delle molecole.   Si tratta di una relazione deterministica di tipo (mono)univoco, ovvero ad una struttura molecolare – in pratica data una specie chimica – corrispondono proprietà fisiche, chimiche e, seppur indirettamente, biologiche ed eventualmente farmacologiche o organolettiche, che dipendono unicamente dalla struttura molecolare stessa.   Questa realtà è ben espressa dal ricorso ai cosiddetti “descrittori molecolari” per i quali si rimanda all’apposito intervento già pubblicato nel 2009 (“come la struttura diventa proprietà: il mondo dei descrittori molecolari”).   La limitazione di questo approccio è tuttavia quello che la sua estensione sulla scala macroscopica si limita alle proprietà intrinseche della molecola stessa ed attribuisce scarsa importanza alle interazioni fra le molecole, siano esse della stessa specie chimica o di specie chimiche differenti.   Una buona parte delle proprietà percepibili dei materiali con i quali abbiamo a che fare nella nostra vita quotidiana dipende infatti non tanto dalla natura ultima delle molecole che li compongono (ovvero dalla loro specifica identità chimica) quanto dal modo con il quale queste molecole interagiscono fra loro.

struttura planare della grafite con evidenziati i legami covalenti e le forze di Van del Waals fra i pianiLa grafite ed i fillosilicati come la mica sono esempi di molecole totalmente distinte fra loro (la prima è composta unicamente da carbonio elementare, i secondi da sali dell’acido orto-silicico con metalli prevalentemente alcalini), ma la caratteristica macroscopica che accomuna questi due materiali – ovvero la tendenza a sfaldarsi secondo fogli o piani paralleli – affonda le radici nella modalità con le quali queste molecole si organizzano tridimensionalmente nello spazio.   In entrambi i casi, infatti, abbiamo una robusta struttura covalente estesa nel senso del piano, separata dagli altri strati, sottostante e sovrastante, da legami deboli e/o meno localizzati.

Anche la struttura macellare tipica dei “saponi” in soluzione acquosa, e di conseguenza la loro capacità di inglobare piccole molecole apolari che vogliamo lavare via da tessuti e superfici, può essere resa con una molteplicità di specie chimiche anche molto diverse fra  loro, ad esempio per la loro natura alifatica piuttosto che aromatica, per la presenza o l’assenza di eternatomi quali zolfo, azoto e fosforo, per la lunghezza della catena alchilica e così via.   Una delle poche, forse l’unica caratteristica che queste molecole devono rispettare per garantire la loro tendenza a micelle di sali di acidi grassi in acquaformare micelle, e quindi a rimuovere più o meno bene lo sporco facente capo a molecole apolari e a trasportarlo in ambiente acquoso, è la presenza di una lunga catena alchilica apolare ed una terminazione polare su di una estremità, la cosiddetta testa polare.

 

La forma assunta molecole nello spazio tridimensionale, sia inorganiche che organiche, può dipendere direttamente da dalla connettività degli atomi dei quali sono costituiti (es. un doppio legame con configurazione cis comporterà un ripiegamento ad angolo “rigido” della catena alchilica sulla quale è posizionato; un composto aromatico avrà necessariamente uno scheletro di atomi di carbonio “planare”), oppure indirettamente in relazione ad interazioni deboli di tipo intamolecolare (tra parti diverse della stessa molecola) o intermolecolare, ovvero con molecole diverse dello stesso tipo acido oleico con evidenziata la configurazione cis sul doppio legameo di tipo differente.   Tra le interazioni intermolecolari con molecole di tipo differente la casistica certamente più importante riguarda le interazioni con le molecole del solvente, che determina l’assetto conformazionale (o più di uno) più favorito sotto il profilo energetico nell’ambiente di soluzione.
Casi sicuramente curiosi di interazioni intermolecolari facilmente visualizzabili anche con i criteri di rappresentazione tipici della nostra esperienza del mondo macroscopico sono quelli dove una piccola molecola, o anche soltanto uno ione inorganico, viene nascosta, o schermata, o criptata, o ancora sequestrata (tutti sininomi comunemente utilizzati nel linguaggio del chimico per indicare questo fatto) da parte di una molecola più grande in grado di ospitarla all’interno di una cavità adatta per dimensioni e per funzionalizzazione di superficie.   Possiamo avere molecole ospitanti a forma di corona o ciambella, con un buco passante in grado di ospitare selettivamente, e di trattenere, alcuni cationi inorganici ma non altri in funzione del loro raggio ionico, come nel caso dei cosiddetti eteri corona, molecole a forma di canestro in grado di lasciar entrare ed uscire dalla loro cavità più grande piccole molecole organiche come nel caso dei calixareni, etere corona che ospita uno ione potassio nella sua cavità centraleo anche soltanto i classici “sequestranti” come l’EDTA in grado di richiudersi a granchio sopra un catione metallico, trattenendolo sia in modo elettrostatico (queste molecole agiscono comunque in forma ionizzata, in questo caso come anioni) che in funzione della condivisione di doppietti elettronici, quindi attraverso un meccanismo di coordinazione.   Un catione o una piccola molecola organica sottoposta ad un simile effetto si sequestro, in pratica è come se non toccasse direttamente il solvente circostante, quello nel quale la stessa molecola ospitante risulta disciolta, e non manifesta pertanto la reattività che gli è tipica: il calcio chelato dall’EDTA, per esempio, non precipita facilmente come carbonato nelle stesse condizioni ambientali nelle quali precipiterebbe (formando talvolta terribili incrostazioni) se si trovasse invece in forma libera.

Già dai pochi esempi finora forniti si intuisce facilmente come questa prospettiva apra la strada alla progettazione di molecole in grado di interagire con le altre formando addotti supramolecolari con proprietà desiderate.   Per una trattazione divulgativa ma più specifica sulla natura degli addotti supramolecoalri si suggerisce un rimando all’intervento: “quando la materia si organizza in modo più complesso: l’evoluzione del concetto di sostanza”.
In una sequenza logica ideale, la ricerca di nuovi materiali funzionali potrebbe seguire flusso: (1) funzione, (2) quali forme del mondo macroscopico possono, proprio in virtù della loro morfologia, svolgere queste funzioni, eventualmente prevedendo anche un fattore dinamico, ovvero la modifica della forma nel corso delle diverse fasi del processo funzionale, (3) come possiamo realizzare queste forme ed eventualmente queste loro trasformazioni morfologiche a livello microscopico, ovvero su scala molecolare, (4) quali specie chimiche presentano le caratteristiche proprietà morfologiche di cui al punto precedente.
In molti casi risulterà necessario “disegnare” ad hoc, e quindi sintetizzare ex novo una nuova molecola adatta a queste funzioni, secondo una modalità operativa che non di differenzia poi di molto dalla progettazione dei farmaci, il cosiddetto “drug design”.

Anche senza volerci addentrare nella complessità strutturale delle macromolecole, o addirittura della stessa chimica organica, gli elementi metallici allo stato antivo rappresentano in sé stessi un semplice esempio di come le relazioni reciproche fra gli atomi (delocalizzazione elettronica, con un insieme di nuclei atomici di carica elettrica positiva immersi in una sorta di “nuvola” elettronica a suo modo fluida che tiene uniti fra loro i nuclei, pur senza garantirne una rigida posizione reciproca) possano riflettersi in proprietà macroscopiche degli stessi materiali metallici, quali la duttilità, la malleabilità e, considerando la delocalizzazione e la mobilità della nuvola elettronica, anche la conduzione elettrica, termica e la lucentezza.
http://www.youtube.com/watch?v=5eNkYQlEF30
Anche se potrebbe apparire come una semplificazione eccessiva, non è poi così sbagliato, data una determinata caratteristica o un determinato comportamento richiesto sul nostro materiale finito, domandarci quali molecole possono rappresentare, seppur in piccolo, un esempio di tale caratteristica o comportamento.   Se sono alla ricerca di un materiale con il quale poter realizzare elastici, cercherò di immaginare molecole dotate loro stesse di una certa “elasticità”.    Dal momento che non possiamo pensare di estendere o di comprimere i legami chimici oltre una certa (piccola) misura, né di modificare in modo sostanziale gli angoli stessi di legame, l’elasticità della molecola si giocherà in termini di assetto conformazionale.   Non è difficile immaginare un elastomero come una molecola avvolta a spirale come una scala a chiocchiola, con forti legami covalenti, inscindibili con il solo sforzo meccanico, lungo la spirale, e legami deboli, ad esempio idrogeno o forze di Van der Waals, a tenere ravvicinate una spira con l’altra, pronti ad allentarsi e a cedere sotto l’influenza di una sollecitazione di trazione.   Talvolta, ed il caso degli elastomeri ne è probabilmente un esempio, questa semplificazione risulta obiettivamente eccessiva nel suo tentativo di modellizzare una realtà più complessa e certamente molto più “confusa” – ad es. negli elastomeri le catene possono semplicemente risultare più o meno distese in relazione alla forza di trazione, anche senza assumere necessariamente la forma di una spirale – ma presenta sicuramente il vantaggio di aiutare a veicolare il messaggio anche dal punto di vista concettuale.

nanostrutture naturali e sinteticheCaratteristiche conformazionali statiche o transienti, interazioni secondarie (di tipo non reattivo) fra molecole prossimali e, più in generale, la formazione e la modifica di addotti supramolecolari, costituiscono per lo più l’anello di congiunzione tra il mondo microscopico, e quello macroscopico e segnano il passaggio fra la descrizione in termini quantomeccanici, prevalente a livello atomico e di piccole molecole, a quello che fa riferimento alla meccanica tradizionale, tipico delle macromolecole, fino alla scienza dei materiali.
L’idea stessa di “nanostruttura”, e da questa di nanoscienze e nanotecnologie, si riferisce implicitamente al fatto di poter applicare ad oggetti pure perfettamente definiti come tipologia, numero e posizione reciproca degli atomi (ovvero strutture chimiche definite ed univoche) le regole del mondo macroscopico, come ad esempio la possibilità di poter essere raffigurati in quanto “oggetti” anche senza esplicitazione degli atomi dei quali sono costituiti, e come tali valutati, manipolati e fatti interagire fra loro.   Il termine stesso di nanostruttura prende effettivamente origine dall’ordine di grandezza, quello dei manometri appunto, che caratterizza questa tipologia di aggregati che prevedono la partecipazione fino a migliaia di atomi o di molecole: almeno uno, spesso due ordini di grandezza in più, su scala dimensionale ma anche di peso, rispetto alle dimensioni tipiche delle molecole più piccole, dettate in primo luogo dalle distanze di legame.

Indubbiamente la possibilità di visualizzare mentalmente, in una parola sola di “immaginare” un oggetto, ci permette di sfruttare per la sua conoscenza non soltanto la nostra esperienza pregressa, ma le nostre stesse capacità intellettive, in pratica la nostra intelligenza, che in misura consistente si basa anche sulla capacità di rappresentazione spaziale degli oggetti e delle loro interazioni.   Una opportunità questa che (umani che non siamo altro!) spesso sfocia in uno stato di necessità, difficilmente prescindibile, se non con una forma di astrazione basata questa volta su regole diverse, di tipo non più umano ma matematico: ne sanno qualcosa le schiere di studenti alle prese con i concetti della fisica quantistica, e quindi anche con l’interpretazione in chiave quantomeccanica della natura e delle proprietà degli atomi, fino alle molecole più piccole.

Spartan software by WavefunctionE’ curioso ed in un certo senso anche molto istruttivo constatare come i principali software di modellazione molecolare, come ad esempio il noto Spartan (realizzato dalla softwarehouse Wavefunction) prevedano la possibilità di applicare sulla stessa struttura molecolare sia metodi quantomeccanici che meccanico-molecolari “tradizionali”, sicuramente molto più rapidi, gli unici materialmente applicabili nei casi delle molecole più complesse e che, per contro, fornirebbero risultati previsionali (ad es. stime di proprietà) troppo distanti dal vero per molecole composte da soli pochi atomi.

Fino ad arrivare ai virus, l’anello di congiunzione tra il vivente ed il non vivente: realtà così semplici da poter essere descritte in modo completo ed esaustivo in termini composizionali e topologici, al pari di un addotto supramolecolare.   I virus presentano caratteristiche in comune con il mondo vivente, ma anche proprietà che intuitivamente assoceremmo a semplici sostanze chimiche, come ad esempio la possibilità di cristallizzare in condizioni opportune.
Parlando con diverse persone mi sono reso conto che il mondo dei virus crea nell’ascoltatore una certa apprensione, spesso mista ad una punta di incredulità e di orrore.   Sono giunto alla conclusione che questa sensazione che oserei definire atavica non sia dovuta tanto alla pericolosità di questi patogeni, condizione che condividono per altro con batteri, protozoi e con un’infinità di altri agenti parologici, quanto alla loro stessa natura: al loro ricordarci, se opportunamente “spiegati” che la distinzione tra la vita e la non vita è molto più labile di quanto non siamo indotti a credere, e che fra la fisica dei quanti e la vita intelligente esiste un continuo dove l’inserimento di paletti di confine risulta di fatto arbitrario.

http://www.youtube.com/watch?v=jp6V7YXapRY
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Una risposta a dal micro al macro: le ragioni molecolari delle proprietà dei materiali

  • Sergio Palazzi scrive:

    La chimica della lavorazione delle fibre tessili e annessi, cioè la vecchia “chimica tintoria” degli Istituti Tecnici ad indirizzo Chimico Tintoriale che sono stati uccisi dalla Gelmini e che sopravvive solo negli indirizzi Moda, non soltanto è forse la più antica branca della chimica industriale ad aver ragionato in modo scientifico (almeno da Perkin 1859, e in parte già prima), ma è anche di una modernità spaventosa dato che almeno da mezzo secolo ragiona intrinsecamente in modo supramolecolare. Con le micro e nanotecnologie (proprietà di microfibre, strati di rivestimento submicrometrici, sistemi inkjet, plasma, nanoparticelle…) ci si è trovata a sguazzare senza soluzione di continuità con il passato, almeno per chi l’aveva capita bene prima.
    Lasciamo stare le problematiche ecotossicologiche che erano attentamente considerate già negli anni ’70, o l’attenzione alle materie prime rinnovabili, etc..
    Se allarghiamo il discorso al colore nei suoi vari aspetti, che ne è la logica conseguenza, su questo ambito disciplinare (vitale per la nostra economia e “quindi” espulso dalla scuola e quasi assente all’università) sono convinto che si potrebbe impostare un intero curriculum di formazione in chimica, fin dai primi giorni e almeno fino ad un primo anno di università, usando come filo conduttore questo approccio al tempo stesso antico ed “up to date”, e fortemente coinvolgente per gli studenti.
    E’ uno dei temi dell’intervento che farò a Roma per ICCE-ECRICE.
    Oppure, si può continuare con le filastroccche sugli orbitali o il folklore popolare sui doppi scambi o gli acidi di Arrhenius… del resto, se ad insegnare chimica alla quasi totalità degli studenti italiani mandiamo docenti della solita classe di concorso 60, che di default hanno una preparazione chimica teorica sì e no sufficiente per passare dal 3° al 4° anno di un Istituto Tecnico, e nessuna esperienza applicativa, cosa vuoi che insegnino, poveretti?
    Non certo i fenomeni supramolecolari della cinetica di diffusione secondo Fick di un colorante reattivo difunzionale, e dell’effetto della forza ionica e dei tensioattivi sulle barriere interfacciali… Dovrebbero prima andare a lezione da uno dei residui studenti di 4-5^ tintore a farsela spiegare!

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