la chimica dei materiali

Cosa sono le macchine molecolari? Sintesi e movimenti dei meccanismi dei motori più piccoli che si possano immaginare

di Giuseppe Alonci

<< L’Accademia Reale Svedese delle Scienze ha deciso di assegnare a Jean-Pierre Sauvage, Sir James Fraser Stoddart e Bernard L. Feringa il Premio Nobel per la Chimica 2016 per il “progetto e la sintesi di macchine molecolari”>>.

Giuseppe Alonci di Chimicare intervista il Nobel per la Chimica JP Sauvage

Giuseppe Alonci di Chimicare intervista il Nobel per la Chimica JP Sauvage

Così si apre il documento con il quale viene presentato al grande pubblico il background scientifico che accompagna il premio Nobel per la Chimica 2016, che non solo riconosce il valore di un filone di ricerca estremamente prolifico e appassionante, ma anche il valore della ricerca di base nelle scienze chimiche, come lo stesso Jean-Pierre Sauvage ha voluto fortemente sottolineare nella videointervista che ha rilasciato in esclusiva per Chimicare. Dopo quindi una breve introduzione, che ci permetterà di avere una visione generale dell’argomento, passeremo in rassegna alcuni semplici strumenti chimici e matematici che ci serviranno per comprendere appieno l’importanza di questo lavoro.

Che cosa è una macchina molecolare? Come dice il nome stesso, è un dispositivo, come una ruota o un ingranaggio, costruito manipolando opportunamente un certo numero di molecole, capace di compiere gli stessi movimenti di una macchina macroscopica in risposta ad uno stimolo esterno.

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Un’introduzione ai Materiali Polimerici

di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

Che cosa è un ‘Materiale’ ed in particolare un ‘Materiale Strutturale’?  In un certo senso, tutta la materia può essere considerata un materiale strutturale in quanto resiste ad almeno la forza di gravità. Tuttavia, si parla di materiale strutturale quando la funzione di resistere alle sollecitazioni meccaniche, forze e momenti, gioca il ruolo primario. In questo senso un materiale strutturale va a costituire una ‘Struttura Meccanica’ il cui scopo è quello di resistere agli sforzi applicati. E che dire dei ‘Materiali Polimerici’? Ovviamente si tratta di quei materiali strutturali costituiti da macromolecole, di origine naturale o di sintesi. Per i Biopolimeri la resistenza meccanica è la conseguenza di una lunga selezione operata dall’evoluzione biologica, per i polimeri di sintesi è il risultato dello sviluppo storico delle reazioni di polimerizzazione.
granuli di materiale polimerico di sintesiMetalli, ceramici e polimeri sono le tre classi fondamentali in cui sono classificati i materiali strutturali. Dunque, definiamo ‘materiale strutturale’ la materia di cui sono fatte le ‘strutture meccaniche’. Inoltre, le proprietà viscoelastiche dei fluidi polimerici (resistenza allo sforzo di taglio) sono d’interesse della reologia, la scienza che studia il comportamento meccanico dei materiali allo stato liquido.

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Alla scoperta degli idrogel: biomateriali dalle molteplici applicazioni cliniche

di Giuseppe Alonci

Questo è il primo di due articoli nei quali cercheremo di esplorare la chimica e le applicazioni cliniche di una particolare classe di biomateriali: gli idrogel. L’introduzione degli idrogel come biomateriali si può far risalire al pioneristico lavoro di Wichterle e Lim del 1960 e ai loro studi sulle lenti a contatto, mentre già nel 1980 Lim e Sum riuscirono nell’impresa di utilizzarli per incapsulare delle cellule. Successivamente idrogel basati sul collagene vennero studiati per la medicazione delle ustioni e oggi, oltre a tutte queste applicazioni, sono usati anche come supporti per l’ingegneria tissutale, cioè per la produzione e riparazione di organi e tessuti. In questa prima parte daremo una definizione generale di idrogel e inizieremo ad affrontare alcune delle loro possibili applicazioni cliniche. Nella seconda parte ne approfondiremo meglio le caratteristiche chimiche, vedremo come è possibile sintetizzare materiali intelligenti che possano rispondere attivamente agli stimoli esterni e come utilizzarli per intervenire su numerose patologie.

Un idrogel biocompatibile basato su un network di poliammidoammine

Un idrogel biocompatibile basato su un network di poliammidoammine

Con la parola “biomateriali” si fa riferimento a materiali che sono stati ideati per uno scopo medico, sia terapeutico che diagnostico. Gli usi terapeutici dei biomateriali sono molteplici: protesi, impianti, valvole artificiali, rilascio graduale di farmaci, ma anche tissue engineering, ingegneria tissutale, cioè la creazione di supporti (scaffold) che permettano la crescita controllata e organizzata di cellule per la produzione artificiale di tessuti.

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Breve storia della gomma: da Faraday a Natta

di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

La gomma è utilizzata dall’Uomo dalle epoche più remote: abbiamo prove che gli Indios d’America ne facevano manufatti già 4000 anni fa! E’ nota agli europei dal 1496, importata durante il secondo viaggio di Cristoforo Colombo. Tuttavia, in questo excursus ci occuperemo dell’evoluzione propriamente chimica della gomma a partire dall’800.
cis-1,4-polisopreneLa gomma naturale si ottiene dall’Hevea brasiliensis (albero della gomma) sotto forma di un lattice ricco di cis-1,4-poliisoprene.

Si deve al genio di Michael Faraday nel 1826 la determinazione della sua formula minima, C5H8. Faraday era consapevole che anche C10H16, C15H24, … potevano essere le formule molecolari tuttavia, mai avrebbe pensato che la formula corretta era del tipo C50000H80000 (infatti, la gomma ha un peso molecolare medio di circa 5 x 105), l’idea di macromolecola non era ancora stata scoperta!
struttura molecolare della gomma vulcanizzata, con evidenziati i ponti disolfuroNel 1839 Charles Goodyear scoprì la reazione di vulcanizzazione, in cui la gomma naturale trattata con zolfo, biacca (carbonato basico di piombo, 2PbCO3·Pb(OH)2) e calore è trasformata in un materiale elastico e tenace, resistente all’invecchiamento. Si tratta di una reazione di reticolazione in cui le catene macromolecolari sono unite da forti legami disolfuro (detti cross-link) mediante un accelerante ad alta temperatura:

Fino al 1920 per spiegare l’alto peso molecolare dei polimeri naturali o di sintesi era in auge la ‘Teoria micellare’, sviluppata a partire dagli studi di Graham del 1861.

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Un excursus di storia delle macromolecole: dai poliesteri al kevlar

di Vincenzo Villani
Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata


Leo Baeckeland
nel 1907 inventò il primo materiale polimerico di sintesi, la resina fenolo-formaldeide battezzata (con molta modestia!) ‘Bachelite’; si tratta di un polimero termoindurente in cui le catene sono legate in una struttura a rete. Tuttavia, ancora non vi era consapevolezza della natura macromolecolare del materiale prodotto: il concetto di macromolecola fu introdotta solo trent’anni dopo grazie all’opera di Hermann Staudinger in Germania e Wallace Carothers in America.
Fino al 1920 per spiegare l’alto peso molecolare dei polimeri naturali e di sintesi era in auge la ‘Teoria micellare’, sviluppata da Graham e Ostwald che ipotizzava l’esistenza dei ‘colloidi’, aggregati di molecole a basso peso molecolare tenute insieme da deboli forze di non-legame (aggregati supramolecolari, diremmo oggi), in modo analogo a come un lungo filo di lana è tenuto assieme dall’aggrovigliamento di fibre corte.
teoria di Harries sulla struttura molecolare della gommaGli alti pesi molecolari stimati mediante le proprietà colligative (abbassamento crioscopico, innalzamento ebulloscopico e pressione osmotica) erano ritenuti una conseguenza di quest’aggregazione.
Anche sulla struttura della gomma naturale il dibattito era molto intenso, veniva stimato un peso molecolare M>100 000 uma (oggi sappiamo che il peso molecolare medio della gomma naturale è di circa 5·105).

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Termochimica metallurgica

di Giorgio Poli

Prosegue la trattazione a cura del prof. Giorgio Poli, chimico siderurgico, in risposta alla domanda posta da Chimicare:
utensili realizzati in metalli vari” Si tende a dire che sono “di ferro” molti oggetti metallici, specie quelli a basso costo, quando non sia evidente (ad esempio per la loro leggerezza o per il loro colore) che essi sono stati realizzati con altri metalli altrettanto noti, come ad esempio l’alluminio o il rame. E’ vero che esistono e si usano tanti oggetti “di ferro”? “
[per completezza della lettura si rimanda alla prima parte della trattazione: “Ferro, acciaio ed altre scoperte siderurgiche“]

 

Preliminarmente è necessario richiamare brevemente e schematicamente gli assunti della termodinamica. Si vuole ricordare che tali assunti sono derivati da considerazioni complesse e rigorose, il cui esame esula dallo scopo di questa trattazione ma che potrebbe essere oggetto di un intervento specifico.

 

Assunti termodinamici

E’ termodinamicamente possibile (o stabile) ogni evento a cui si possa associare la variazione negativa di un parametro denominato “energia libera G”.  Cioè è indispensabile che:  ΔG < 0.
Quanto sopra vale in qualsiasi campo, perciò anche in chimica, dove la sua applicazione fa dedurre che la reazione:        A + B → C

è possibile solo se è dotata di un ΔG negativo.

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Ferro, acciaio ed altre “scoperte” siderurgiche

di Giorgio Poli

Prosegue il viaggio alla (ri)scoperta della chimica siderurgica, realizzato in piccola puntate a cura di Chimicare tramite domande-chiave all’esperto.
Nata ancor una volta dalla volontà di mettersi nei panni del lettore non professionale alla ricerca di una risposta ai suoi dubbi, la domanda di oggi suonava all’incirca in questo modo:
” Si tende a dire che sono “di ferro” molti oggetti metallici, specie quelli a basso costo, quando non sia evidente (ad esempio per la loro leggerezza o per il loro colore) che essi sono stati realizzati con altri metalli altrettanto noti, come ad esempio l’alluminio o il rame. E’ vero che esistono e si usano tanti oggetti “di ferro”? “

ferro metallico puro

ferro metallico puro

La risposta è molto semplice: non c’è niente al mondo che sia fatto di ferro, naturalmente inteso come elemento chimico puro. Nel gergo comune, dire che una cosa è di ferro è quasi come dire che una cosa è metallica. Soltanto i più avveduti, magari utilizzando una calamita o verificandone il peso o il colore, tendono a distinguere fra vari tipi di metallo. E spesso incorrono in errore, perché esistono oggetti fatti prevalentemente di ferro che non sono magnetici (provare con una posata su cui sia scritto 18-8 o 18-10.

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I parabeni: nemici per la pelle?

di Silvia Barra

paraben freeSe siete consumatori attenti, avrete notato che da qualche anno, e sempre più spesso, compaiono scritte “Senza parabeni” o “Paraben free” sulle confezioni di cosmetici, prodotti per l’igiene personale e per la pulizia della casa.
Cosa sono i parabeni? In questo articolo scopriremo cosa sono queste sostanze, a cosa servono e perché sempre più spesso le case produttrici decidono di eliminarli dai loro prodotti e di dichiararlo sulle confezioni.

struttura generale di in parabene

struttura generale di in parabene

I parabeni sono una famiglia di composti organici aromatici, esteri dell’ acido 4-idrossibenzoico. I più utilizzati sono i metil-, etil-, propil-, butil-, isobutil- e benzilparabeni. Possono essere utilizzati da soli, ma più spesso vengono usati sotto forma di miscele per aumentarne l’efficacia. Sono generalmente prodotti dall’uomo, ma si possono trovare anche in natura, nelle piante e negli animali.
Sono ingredienti indispensabili per garantire la sicurezza e la qualità di molti prodotti usati quotidianamente, come medicinali, prodotti per la casa e l’igiene personale, cosmetici. Senza la loro presenza, infatti, batteri e altri microrganismi dannosi per l’uomo potrebbero svilupparsi all’interno dei prodotti, deteriorandoli e compromettendone le caratteristiche di qualità, fino a renderli talvolta anche pericolosi per la salute umana. Dopo l’apertura infatti, cosmetici e altri prodotti possono venire contaminati da batteri, funghi e muffe presenti nell’ambiente e, di conseguenza, alterarsi e mettere a rischio la salute del consumatore.

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Metallurgia e Chimica

di Giorgio Poli

fusione di metallo in crogiolo

fusione di metallo in crogiolo

A chi mi chiedesse: “Si può parlare di metallurgia in un sito dedicato alla chimica?” risponderei: “Non solo si può, è addirittura doveroso!”. Naturalmente è solo un parere personale, forse derivato da anni di operatività nell’ambito della didattica metallurgica.

Potrei cominciare formulando io una domanda: “E’ la chimica che è figlia della metallurgia o è la metallurgia che è figlia della chimica?”. Credo nella prima di queste affermazioni e cerco di spiegare il perché.

Premetto la seguente considerazione. Si pensa che la prima chimica usata dal genere umano (naturalmente in modo incosciente) per fabbricare qualcosa non presente in natura sia stata quella che oggi chiameremmo “chimica della fermentazione”: si hanno indicazioni di uso di bevande fermentate (forse simili alla birra) fin dal neolitico, prima dell’età dei metalli. Ma in questa sede la discussione è indirizzata ai metalli o, meglio, ai “materiali” impiegati dall’uomo per farne “utensili” di varia utilità, senza considerare questioni relative alla biologia, ad agricoltura e pastorizia, ai rapporti sociali, ecc. che potrebbero inficiare almeno in parte quanto segue.

schema dell'evoluzione umana

schema dell’evoluzione umana

Andiamo alle origini, e rifacendosi ai dogmi della cristianità sulla creazione, si sul dire che Dio è un “ceramista”.

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Come un metallo rivoluzionò la medicina: breve storia del cis-platino

di Giuseppe Alonci

Questo articolo è il secondo della serie dedicata agli effetti biologici dei metalli pesanti.  Nello scorso articolo (I metalli, la medicina e la salute: un rapporto complesso) avevamo introdotto alcuni dei concetti base che incontreremo via via in questo e nei prossimi lavori e avevamo visto, prendendo il mercurio come esempio, quanto può essere difficile e complesso delineare un limite tra buono e cattivo, sicuro e non sicuro.  Lo stesso problema lo incontreremo anche con i farmaci a base di platino, che sono l’oggetto di questo scritto, nei quali il miglioramento del rapporto tra danno e beneficio è continuo oggetto di studio e di ricerca.

 

Un metallo veramente prezioso

Quando pensiamo al platino pensiamo al denaro. Non è una novità, al sentire nominare questo elemento il pensiero di chi non è un chimico (o un oncologo) corre immediatamente a gioielli estremamente costosi, a carte di credito platinum, tessere fedeltà platinum e in generale a tutto ciò che è particolarmente costoso ed esclusivo.

cristalli di platino

Fig. 1 – cristalli di platino

In realtà il platino è ben più di un vezzo inutile o di un simbolo di ricchezza: esso infatti entra nelle nostre vite attraverso un ampio spettro di applicazioni.

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