ORIGINI DELLA NANOSCIENZA

Harold Kroto, lo scopritore del fullerene, la molecola per cui ha vinto il Nobel per la chimica, è uno scienziato anticonformista. Si accosta alla ricerca con la stessa passione che da piccolo nutriva per il meccano; cita i film dei Monty Python negli articoli accademici; rivendica la libertà del ricercatore da vincoli economici e burocratici che limitano la creatività e nutre una fiducia sconfinata nelle capacità di apprendimento dei bambini. Nel 1985 cercava molecole organiche complesse nel pulviscolo delle nubi interstellari e per caso ha scoperto le “buckyballs”, stupefacenti molecole di origine extraterrestre formate da 60 atomi di carbonio. Oggi Kroto indaga sull'origine della vita nell'universo e sul funzionamento delle più complesse nanomacchine naturali: gli organismi viventi. Parlando, nel novembre del 2003, in occasione dell' “Euro Nanoforum”, una conferenza internazionale svoltasi a Trieste che ha riunito i massimi esperti mondiali di nanotecnologia, ha svelato le origini della nanoscienza.

Harold Kroto

“Le nanoscienze non sono affatto una novità. Il primo nanoscienziato della storia è stato John Dalton, vissuto tra il XVII e il XIX secolo, autore della prima teoria chimica basata sul concetto di atomo”. Dalton inizialmente si concentrò sui miscugli di gas e sulla loro composizione. Osservò che in una miscela di gas ogni componente esercita la stessa pressione, come se esso fosse il solo gas presente nel volume dato, e enunciò la legge seguente: in un miscuglio di gas ideali la pressione totale è data dalla somma delle pressioni parziali dei singoli componenti. Basandosi sul fatto che l'aria atmosferica è un miscuglio omogeneo mentre i suoi componenti hanno densità differenti, ed escludendo che si trattasse di un composto chimico, formulò l'idea che gli atomi di ogni componente dovessero essere diversi, che dovessero avere pesi diversi, e che in un dato volume dovessero essere presenti in numero differente.

John Dalton

Si faceva così strada l'idea che esistesse un tipo di atomo per ogni elemento. Dalton enunciò la sua teoria atomica per la prima volta ufficialmente ad un congresso della Royal Institution nel 1803: tutta la materia è composta di particelle indivisibili e indistruttibili, gli atomi; gli atomi non possono essere né creati né distrutti; tutti gli atomi dello stesso elemento sono identici, differenti elementi hanno differenti tipi di atomo; le reazioni chimiche si hanno quando gli atomi si “riarrangiano”; i composti sono formati da atomi degli elementi costituenti.

Continua Kroto: “Dopo Dalton, tutti i chimici, i biologi molecolari e chiunque indaghi sulla struttura molecolare e atomica della materia si occupa di nanoscienza. Io sono un chimico e sono stato un nanoscienziato per anni senza saperlo, prima che coniassero questo termine”. Che cosa c'è di nuovo oggi ? “La grande novità del XX secolo è stata la scoperta che alcune molecole, come gli enzimi presenti nel nostro corpo, si muovono e mutano la loro configurazione interagendo con altre molecole: sono cioè delle nanomacchine naturali”. Per esempio ? “L'emoglobina, senza la quale nessuno di noi potrebbe sopravvivere, è una nanomacchina naturale che si sposta nel nostro organismo attraverso il flusso sanguigno. Raggiunge i polmoni dove modifica la sua struttura e raccoglie l' ossigeno. Poi lo trasporta a tutte le cellule del corpo”. Quali applicazioni può avere lo studio di queste molecole ? “I nanorobot naturali, il fullerene e altre strutture fatte da una sola molecola di carbonio, come i nanotubi, potrebbero avere impieghi nel campo dell'elettronica e della chimica dei materiali, rivoluzionando la nostra vita. Ma non vorrei che le applicazioni lasciassero in ombra il risultato più importante delle ricerche in questo settore: la conoscenza. Io sono uno scienziato di base, il mio lavoro è capire che cosa c'è là fuori, come funzionano le cose. Non miro a raggiungere obiettivi utili, mi diverto a cercare di comprendere i fenomeni naturali. Le applicazioni sono conseguenze secondarie”.

“La scienza è un grande gioco. Da bambino, il mio giocattolo preferito era il meccano. È creativo, ti permette di toccare con mano il significato delle leggi della fisica, di costruire delle macchine e farle funzionare. I giochi manuali, come pure l'arte, stimolano la curiosità e la flessibilità mentale. È stata la passione per l'arte e per le belle strutture tridimensionali ad avermi permesso di osservare i fenomeni da punti di vista non convenzionali e scoprire cose che altrimenti non avrei notato”. Quando ha scoperto le buckyballs, stava studiando la composizione delle nubi interstellari. Che cosa cercava ? “Le nubi interstellari sono ammassi opachi di pulviscolo che si trovano nei grandi spazi vuoti tra le stelle. Attraverso i radiotelescopi e la tecnica della spettroscopia, è possibile analizzare quel pulviscolo e ricostruire la struttura delle sue molecole. Negli anni in cui mi sono accostato a questo studio, altri ricercatori avevano scoperto nello spazio interstellare molecole organiche complesse come l'etanolo, il metanolo, la formaldeide, l'acido formico e lunghe catene di atomi di carbonio. Ci interrogavamo sull'origine di tali strutture e così ho formulato un'ipotesi: che fossero il prodotto della combustione delle giganti rosse, stelle di carbonio di grandi dimensioni, relativamente fredde. Per verificare questa possibilità ho ideato un esperimento. Ho riprodotto in laboratorio le condizioni ambientali di una gigante rossa, irradiando un disco di grafite - materiale basato sul carbonio - con un laser. Poi ho analizzato i risultati”. E che cosa ha trovato ? “Ho trovato quello che cercavo: molecole organiche formate da lunghe catene di carbonio. È la prova che il materiale di cui sono fatte le nubi interstellari, di cui sono fatti i pianeti come la Terra e di cui siamo fatti noi stessi viene dalle giganti rosse. È la prova che siamo tutti figli delle stelle”.

Joseph Fraunhofer

Ma come si scopre cosa c'è nelle stelle ? La spettroscopia astronomica permette di individuare con la massima precisione quali elementi chimici si trovano in un corpo celeste. Anche a milioni di anni luce di distanza. Fu la scoperta di un grande scienziato tedesco, Joseph Fraunhofer, a rendere possibile il metodo con cui da Terra gli scienziati sono in grado di analizzare la composizione chimica dei corpi celesti a distanza di milioni di anni luce e con estrema precisione. Studiando nel 1814 lo spettro del Sole con il primo spettroscopio a reticolo di diffrazione, capace di suddividere la luce nelle sue diverse lunghezze d'onda, Fraunhofer scoprì una serie di righe nere: come dei “buchi” nello spettro. Più tardi si capì che le righe sono dovute all'assorbimento di precise lunghezze d'onda della luce da parte di diversi elementi chimici.

In pratica, ogni elemento ha come una sua “firma” caratteristica, poiché assorbe la luce solo su alcune definite lunghezze d'onda. La scoperta ha portato alla nascita della spettroscopia astronomica. Così gli scienziati, quando vogliono scoprire la composizione di una stella ma anche di un altro elemento dell'universo, come le nubi di polvere interstellare, analizzano lo spettro della luce emessa o riflessa dall'oggetto sulla Terra e poi vanno a vedere dove si trovano le righe. Sono così in grado di capire subito quali elementi sono presenti. Con questa tecnica, già nel 1868, Norman Lockyer scoprì nel Sole l'esistenza di un elemento chimico fino a quel momento sconosciuto, l'elio (il secondo più abbondante nell'universo dopo l'idrogeno), poi rintracciato anche sulla Terra.

L'analisi della composizione delle nubi interstellari è realizzata dunque studiando la radiazione elettromagnetica che queste emettono e che siamo in grado di ricevere e analizzare sulla Terra. I grandi radiotelescopi analizzano l'intensità di particolari frequenze che sono caratteristiche dello spettro di determinate molecole. Possiamo in questo modo produrre una mappa di queste molecole e comprendere le diverse composizioni delle nubi. Molte nubi interstellari sono fredde e tendono a emettere radiazione elettromagnetica di grande lunghezza d'onda. Nelle nubi calde, ci sono spesso ioni di molti elementi i cui spettri possono essere osservati nella luce visibile e ultravioletta.

I radiotelescopi possono analizzare anche tutte le frequenze emesse da un determinato punto, registrando le intensità di ogni tipo di molecola. L'intensità del segnale è proporzionale all'abbondanza dell'atomo o la molecola che corrisponde a quella frequenza. Fino a poco tempo fa si pensava che il tasso di reazioni nelle nubi interstellari fosse molto lento, con pochi composti prodotti a causa delle basse temperature e densità delle nubi. Tuttavia negli spettri, sono state osservate grandi molecole organiche che gli scienziati non si aspettavano di trovare in quelle condizioni. Normalmente le reazioni necessarie a crearle si presentano solamente a temperature e pressioni molto più alte. Il fatto di averle trovate indica che queste reazioni chimiche nelle nubi interstellari hanno luogo più velocemente di quanto sospettato. Queste reazioni sono studiate in particolare nell'ambito dell'esperimento CRESU.

BUCKYBALLS FROM OUTER SPACE

Signor Kroto, ma come ha scoperto le buckyballs ? “È accaduto per caso, a riprova del fatto che le scoperte più interessanti sono spesso quelle più inaspettate. Mi sono imbattuto in questa bizzarra molecola e grazie alla mia passione per il meccano e per l'architettura sono riuscito a ricostruire la sua struttura a gabbia sferica”. Questo vuol dire che nelle nubi interstellari c'è del fullerene ? “C'è, ma non siamo mai riusciti a osservarlo con i radiotelescopi. Per il momento abbiamo dimostrato che si forma spontaneamente nel corso di processi analoghi alla combustione delle stelle di carbonio. Di recente mi sono interessato di nuovo alle nubi interstellari. La loro composizione è analoga a quella del “brodo prebiotico” che ha preceduto la comparsa della vita. Sto riflettendo sul ruolo di queste nubi nell'origine della vita. Ritengo che alcune componenti del pulviscolo spaziale siano coinvolte nel processo di origine della vita. Non parlo del fullerene, che è una gabbia chiusa e non una molecola reattiva, ma di altre strutture”.

Il 31 Maggio del 2000, Alan Hildebrand, leader del team di ricercatori dell'Università di Calgary, nell'Alberta, che conduce le analisi dei frammenti rinvenuti del meteorite Tagish, parla di una distribuzione anomala dei componenti organici rispetto ai meteoriti finora conosciuti, avanzando l'ipotesi di un “differente esito” della evoluzione chimico-organica avvenuta nello spazio. In particolare, si fà notare una forma insolita di “buckyball”. Tanto più curioso, se si considera che la buckyball è stata scoperta per la prima volta da Kroto nel 1985, nel corso di un esperimento che si riproponeva di simulare in laboratorio l'atmosfera ricca di carbonio di una stella gigante rossa contenente gas come idrogeno e azoto. Ebbene, la buckyball “aliena” era contenuta in porzioni finissime di diamante, chiamate “nanodiamanti”, di qualche micron, (ricordiamo che il diamante costituisce una delle forme più pure basate sul carbonio) che si ritiene possano essersi formate durante l'espansione di una supernova di tipo II. Si ritiene che i nanodiamanti siano residui di polvere interstellare che ha partecipato alla formazione del nostro Sistema Solare (il freddo estremo del lago Tagish dove è stato ritrovato il meteorite e la tempestività del recupero hanno forse impedito la contaminazione che normalmente rovina molti meteoriti).

L'ipotesi dell'origine extraterrestre delle buckyballs, era già stata avvalorata poco tempo prima, il 21 marzo del 2000, dalla scoperta di gas di natura “aliena” (in particolare di elio) intrappolati proprio all'interno della particolare gabbia atomica che contraddistingue le buckyballs. Il team di scienziati guidato dalla prof. Luann Becker, dell'Università di Washington, ha riscontrato una alta concentrazione di queste buckyballs in campioni di sedimenti, provenienti da Danimarca, Nuova Zelanda e Nord America, risalenti al periodo geologico di fine Cretacico, inizio Terziario (circa 65 milioni di anni fa), che fu caratterizzato dalla collisione di un oggetto cosmico che scavò il cratere di Chicxulub, nello Yucatan, e provocò la famosa estinzione (KT) in cui scomparvero anche i dinosauri. Il team della Becker, dopo aver analizzato gli atomi di elio ed argon imprigionati nelle buckyballs, si è accorto che il rapporto isotopico dei gas era molto diverso da quello presente sulla Terra, mentre coincideva con quello rilevato nelle meteoriti di Allende e di Murchinson.

L'elio terrestre è principalmente elio-4, mentre quello extraterrestre e quello ritrovato nelle buckyballs sono in prevalenza elio-3, un tipo di elio con solo tre particelle subatomiche trovato solo nello spazio. In particolare, nelle stelle in formazione, dove si presume che le elevate temperature e le ingenti pressioni dei gas abbiano intrappolato i gas nobili all'interno delle buckyballs. Si presume dunque che anche le buckyballs provengano dallo spazio, dato che si formano dall'azione combinata di forti pressioni e temperature estreme, come quelle caratteristiche degli ambienti pre-solari. Anche secondo il fisico Robert Poreda, della University of Rochester, di New York, le buckyballs sono state originate prima della formazione del nostro Sistema Solare, probabilmente da un plasma ad alta energia in seguito alla fuoriuscita di qualche stella gigante ricca di carbonio. Successive analisi condotte dalla Becker e da Ted Bunch del NASA's Ames Research Center di Moffett, in California, sulle buckyballs rilevate nei meteoriti di Allende e di Murchison, hanno confermato l'evidenza di origine extraterrestre dei gas.

Lo stesso team della Becker, nel febbraio del 2001, ha poi esteso le stesse analisi su campioni, provenienti da siti cinesi e giapponesi, risalenti alla transizione tra il periodo Permiano e quello Triassico (circa 250 milioni di anni fa), che fu caratterizzata da una terribile catastrofe che portò alla scomparsa del 90% delle specie marine e del 70% di quelle terrestri. Anche in questo caso si ritiene che la causa possa essere stata la collisione di un oggetto cosmico, anche se non esistono prove che possono dimostrarlo. Dopo aver trovato le stesse molecole buckyballs con al proprio interno i gas extraterrestri, la Becker ha avanzato l'ipotesi che l'impatto di una cometa o di un asteroide, del diametro di circa 6-12 km, possa aver causato l'estinzione indirettamente, mettendo in moto una serie di eventi come una massiccia attività vulcanica e cambiamenti nel livello delle acque e del clima.

P.S.
In sintesi, dato che le buckyballs sono le molecole da cui si ottengono i nanotubi, che costituiscono la base principale per le applicazioni nanotecnologiche, ergo, la nanotecnologia è basata su materia di origine aliena. Non è fantastico ?

Istituzione scientifica citata nell'articolo:

NASA AMES research center