Chimica esotica: tra scienza e meraviglia

La meraviglia è il motore della scienza! È bene ricordarlo. Non tanto agli scienziati; loro lo sanno molto bene e non stentano a mostrarlo e dichiararlo. Basta navigare un po’ in rete per vedere la grande mole di aforismi e citazioni di illustri scienziati che lo attestano (ma attenzione ai falsi – questo è il lato oscuro del web). Nemmeno agli estimatori della scienza: anche costoro si nutrono delle sensazioni di sorpresa e stupore che nuove scoperte o ipotesi scientifiche riescono a stimolare. Lo si deve ricordare casomai ai detrattori più accaniti della scienza: personaggi ottusi che confondono gli scienziati per cyborg tutti dediti a misurare e fare calcoli, imperturbabili ed impassibili ad ogni accadimento degno di un’emozione. Lo si deve ricordare a tutti coloro che vedono la scienza come una confraternita massonica chiusa all’esterno, conservatrice, restia ad ogni cambiamento e apertura verso nuovi orizzonti della conoscenza.

Chi conosce la scienza un po’ più da vicino, al contrario, sa che essa (e la sua comunità) è in continuo fermento, dedita alla ricerca di novità sorprendenti e non solo di conferme a teorie già consolidate (si veda La struttura delle rivoluzioni scientifiche di Thomas Kuhn). È un “organismo” fortemente recettivo e facilmente stimolabile: le scosse arrivano in continuazione, dall’esterno tramite nuove esigenze o nuovi orientamenti politico-sociali, e dall’interno grazie a teorie rivali (ma pur sempre scientifiche) o risultati sperimentali inaspettati. È qualcosa che succede da sempre e di fronte a cui la scienza non si è mai tirata indietro, anche quando potevano essere in gioco parti importanti delle conoscenze fino ad allora acquisite. Gli esempi si sprecano in tutte le discipline. L’astronomia si è abituata sin dai tempi di Galileo (con le sue osservazioni – luna, satelliti di Giove – decretò la fine del sistema tolemaico che vantava duemila anni di storia); ma anche la relatività einsteniana cambiò i concetti di spazio, tempo e massa newtoniani che avevano fino ad allora permesso di spiegare quasi tutto l’osservabile, e così via durante il XX secolo con le radiazioni cosmiche di fondo (residuo del Big Bang), i buchi neri, l’espansione dell’universo, ecc; elettromagnetismo e meccanica quantistica (oltre alla già citata relatività) sono solo esempi emblematici di ciò che ha rivoluzionato la fisica degli ultimi 150 anni. La biologia, pur essendo relativamente giovane, ha già regalato sorprese straordinarie a partire dalla rivoluzione darwiniana, per arrivare alla scoperta del DNA e della genetica che si è tradotta in altrettante scoperte in medicina (un esempio su tutti, le terapie geniche che permettono l’ingegnerizzazione delle cellule). Le neuroscienze, infine, anche con il supporto di informatica e cibernetica stanno cambiando di giorno in giorno le nostre conoscenze del cervello e aprendo scenari finora inesplorati o persino impensabili fino a qualche decennio fa. Bene, oggi potremmo trovarci di fronte ad una nuova rivoluzione, questa volta in ambito chimico.

“Abbiamo scoperto che in condizioni estreme le regole della chimica standard, quella da libro di testo, non sono più valide”, ha dichiarato Alexander Goncharov della Carnegie Institution for Science. Qualcosa di confermato anche da Artem Oganov: “Abbiamo trovato composti perfettamente stabili che contraddicono le regole della chimica”  – ha detto – “applicando una pressione modesta, se confrontata a quella del centro della Terra che è di 3.6 milioni di atmosfere, gran parte di ciò che sappiamo dai libri di chimica cade a pezzi”.  Si parla di chimica esotica per queste nuove scoperte. Che cosa è successo? Sul volume 342 di Science del 20 Dicembre 2013 è stato pubblicato un articolo sul Cloruro di Sodio, meglio noto come “sale da cucina”. La scoperta che ha tanto sorpreso gli scienziati e che – si dice – possa addirittura comportare la riscrittura dei libri di chimica, riguarda proprio questo comunissimo composto (NaCl). Il cloruro di sodio è noto per la grande differenza di elettronegatività dei due ioni Na⁺ e Cl^– , i quali esercitano così un’attrazione reciproca talmente forte per cui anche un solvente come l’acqua ne favorisce il legame. L’aggregato si presenta con un coefficiente stechiometrico 1:1 ed una struttura cristallina cubica di tipo B1 (ogni ione Na⁺ è attratto da 6 ioni Cl^– e viceversa). “Si sa che, per regole di equilibrio di carica degli ioni, l’unico composto stabile potrebbe essere NaCl. Tuttavia – spiega Oganov – possiamo ottenere un gran numero di altri composti ‘strani’ dall’unione di cloro e sodio, se applichiamo delle condizioni di pressione alte. In queste situazioni, le regole tradizionali vengono meno”.

Senza entrare troppo nel dettaglio, ciò che i ricercatori (Weiwei Zhang, Artem R. Oganov, Alexander F. Goncharov,  Qiang Zhu, Salah Eddine Boulfelfel, Andriy O. Lyakhov,  Elissaios Stavrou,  Maddury Somayazulu, Vitali B. Prakapenka,  Zuzana Konôpková) hanno scoperto è che, se sottoposti a pressioni molto superiori a quelle ambientali comuni e se presenti in grandi quantità, i due ioni sopra menzionati possono dar luogo a composti che violano le intuizioni chimiche più basilari: in particolare sono stati sintetizzati composti come Na3Cl, Na2Cl, Na3Cl2, NaCl3, e NaCl7 che appaiono termodinamicamente stabili (ovvero non si decompongono spontaneamente in altri composti) pur mostrando proprietà elettroniche e legami insoliti. Variano le condizioni stechiometriche e le configurazioni cristallografiche, ma anche la conducibilità elettrica (alcuni sono semiconduttori, altri composti metallici) dei nuovi aggregati.

La scoperta non è stata facile: è stato messo a punto un algoritmo molto evoluto (USPEX), che ha permesso di calcolare le stechiometrie possibili da andare a testare, e sono state utilizzate celle a incudine di diamante che consentissero di esercitare pressioni molto più elevate di quelle fino ad allora indagate. L’articolo pubblicato su Science descrive minuziosamente le operazioni svolte e riassume, composto per composto, le principali caratteristiche emerse, man mano che venivano esercitate pressioni maggiori. Quali sono le implicazioni? Intanto, si deve prendere atto del fatto che – al contrario di come si è finora pensato – il cloruro di sodio potrebbe non essere l’unico composto stabile di Na e Cl. Inoltre, dato che la scoperta è stata fatta in ambienti fisici caratterizzati da pressioni elevate, ma relativamente basse in relazione a quelle presenti nei nuclei degli astri, questo potrebbe dire molto circa gli aggregati di materia da cui sono nati i pianeti. Infine, una possibilità particolare sembra darla il composto Na3Cl; ha infatti una struttura cristallografica che alterna strati di cloruro di sodio (isolante) e di sodio puro (conduttore), e si presenta nel complesso come un conduttore quasi-bidimensionale unico dalle proprietà fisiche innovative. Insomma, non ci resta che attendere gli sviluppi.

Abbiamo di fronte l’ennesima prova della bellezza e del lato sorprendente della scienza. Un aspetto che stimola e coinvolge gli scienziati di tutto il mondo, i quali, come si è visto, non hanno paura di mostrarsi eccitati e impressionati di fronte a qualcosa fino ad allora inspiegato. La stessa impressione che vive il bambino a cui si racconta una fiaba, come diceva Marie Curie. Allora perché noi del CICAP ci teniamo tanto a smontare fenomeni e teorie che sembrano altrettanto fiabeschi? Perché non diamo credito a misteri che parrebbero aprire (a detta di chi li sostiene) nuovi spiragli di conoscenza? Cosa distingue le scoperte che affascinano tanto gli scienziati dai fenomeni paranormali e dalle pseudoscienze? Le risposte sono almeno due:

• Innanzitutto, prima di dover dare spiegazioni nuove e di riscrivere i libri di scuola, i fenomeni nuovi devono venire osservati sotto controllo ed in modo continuativo. Finora la totalità dei presunti fenomeni paranormali non ha mai risposto a questi requisiti. Come non ci stanchiamo mai di dire: quando i controlli tendono a zero, i fenomeni tendono a cento; quando i controlli tendono a cento, i fenomeni tendono a zero.
• Ammesso anche che si sia in presenza di un fenomeno (nuovo o meno), le modalità con cui vengono analizzati e spiegati divergono in modo più o meno subdolo. Da una parte, la scienza ricorre a un metodo rigoroso, fatto di strumenti analitici, misurazioni accurate e inferenze argomentative logicamente valide (benché talvolta controintuitive); dall’altra, le teorie pseudoscientifiche o complottistiche fanno leva sul senso comune (molte volte fallace), sul sensazionalismo, colmando lacune di conoscenza con argomentazioni audaci ed inverificabili, sebbene spesso camuffate di scientificità.

Gli scienziati sono uomini in carne ed ossa come tutti gli altri: creativi, emozionabili e affascinati dalla complessità dell’universo esattamente come noi. Ciò che li rende grandi è che non si limitano allo stupore, ma lottano giorno dopo giorno per ottenere risultati migliori e affidabili. La meraviglia, insomma, anima la scienza ma non la domina.

Foto di Tara Winstead da Pexels