La Scienza e l'Industria chimica: un'opportunità per un futuro sostenibile
o solo un problema ambientale?

(Parte III)

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La nanosfera

Si aprono infatti prospettive importanti in due aree ancora ricche di
problemi irrisolti: il controllo dei processi alla base della vita e il dominio
della materia a livello atomico e molecolare. Tutto ciò oggi ha preso il nome
di nanotecnologie, dove la scienza chimica, che per prima ha controllato e
dominato la reattività di atomi e molecole, ne è la base naturale.
Non ho il tempo per approfondire, ma credo sia utile offrire una rapida
panoramica di alcune delle più rilevanti prospettive scientifiche e
tecnologiche.
Per capire i processi vitali cioè i processi biochimici è utile estrapolare dalla
loro complessità gli aspetti conoscitivi delle reazioni chimiche che ne sono
alla base, per esempio tramite la simulazione sperimentale e modellistica
delle strutture biochimiche stesse con l'utilizzo di sistemi molecolari artificiali
(chimica biomimetica) meno complessi. Questo è per esempio un
approccio di grande utilità per la progettazione di nuovi farmaci. La
modellistica molecolare e i metodi chimici di simulazione, assistiti dal
computer, permettono oggi di studiare le interazioni fra molecole con
potenziali proprietà terapeutiche e sistemi biologici complessi come le
grandi proteine, affrontando lo studio dei meccanismi, essenzialmente
chimici, per cui i farmaci interagiscono a livello molecolare con i siti attivi
delle molecole biologiche agendo sui processi biochimici che sono alla base
delle malattie.
Per soddisfare le ipotesi che vengono da questi modelli la scienza chimica
oggi offre la possibilità non solo di sintetizzare o modificare in maniera
relativamente semplice molecole molto complesse (steroidi, antibiotici e
altri prodotti naturali, biopolimeri, come proteine e acidi nucleici, ecc.) ma
anche di introdurre nei processi sintetici quelle selettività strutturali, in
particolare la enantio-selettività, che fino a qualche decennio fa erano
limitate ai processi sintetici naturali.
I progressi in questi settori avanzatissimi di progettazione e sintesi sono
ormai così importanti da essere stati riconosciuti con il Premio Nobel per la
Chimica di quest'anno.
Inoltre la chimica recupera la tecnologia del micro-array dalla
microelettronica poiché le tecniche tradizionali di screening di potenziali
farmaci erano caratterizzate da percentuali di successo molto basse.
Oggi l'uso di un micro-array opportunamente automatizzato e robotizzato
permette, prendendo come riferimento dello screening una interazione
specifica con un recettore, un enzima, una membrana biologica (ottenute in
microquantità mediante tecniche genetiche), di controllare su
microcampioni la presunta attività biochimica di un numero elevatissimo di
molecole, che sono state sintetizzate in situ con la tecnica della chimica
combinatoriale grazie a macchine automatiche e robotizzate.
Quello che una equipe di chimici e biochimici poteva ottenere in un anno di
lavoro, ora viene portato a termine in un giorno su microcampioni.
Il ruolo interdisciplinare del chimico diviene sempre più rilevante. Non a
caso l'inventore della più importante tecnica automatica di analisi genetica
e cioè la tecnica PCR è un laureato in chimica, Kary Mullis, Premio Nobel nel
1993.
Anche nella moderna genetica come nelle biotecnologie, tutte aree che
appartengono alla nanosfera, il chimico porta il suo insostituibile contributo,
per esempio con micro-reazioni specifiche per attivare siti di macromolecole
biologiche come il DNA. L'identificazione dei geni e in particolare del
genoma umano ha infatti sfruttato la duttilità a livello molecolare della
reattività chimica, oltre che di quella enzimatica.
Ma è forse nell'area del dominio della materia molecolare che la scienza
chimica trova oggi la sua più importante espressione. Per molto tempo la
chimica si è volta a soddisfare le necessità più urgenti nei limiti delle proprie
conoscenze e delle tecniche disponibili di caratterizzazione. Si è interessata
quindi allo studio di singole e relativamente piccole molecole. Ha imparato a
sintetizzarle, a modificarle e a capirne in dettaglio l'origine della reattività.
Ma non appena ha affrontato il tema dei polimeri sintetici e della catalisi ha
dovuto misurarsi con una complessità molecolare e strutturale inusitata.
In poche parole dagli anni '40 la scienza chimica per prima ha dovuto
confrontarsi con la nanosfera.
La scoperta del polipropilene sindiotattico da parte di Natta, premio Nobel
per la Chimica nel 1963, non si limita infatti all'ottenimento di un nuovo
materiale polimerico con straordinarie proprietà. In realtà il frutto del
profondo cambiamento che la scienza chimica ha dovuto affrontare e cioè
capire come grazie ai processi catalitici selettivi si possano controllare la
forma, l'ordine e la grandezza molecolare.
E' stato una importante tappa del passaggio dalla tradizionale chimica
molecolare a quella delle macromolecole strutturalmente per arrivare alla
moderna chimica sopramolecolare e alle auto-associazioni superordinate
delle molecole o degli atomi tipiche delle nanotecnologie.
Il chimico è quindi oggi sempre più un ingegnere molecolare che,
ispirandosi anche a strutture molecolari naturali, cerca di identificare le
regole che permettono a livello di nanosfera l'auto-organizzazione di atomi
e molecole, così da ottenere nanoaggregati (nanoparticelle, nanosuperfici e
interfaccie, membrane nanostrutturate, materiali mesoporosi) con
specifiche proprietà chimiche e in particolare fisiche (elettriche, ottiche,
strutturali).
Tutto ciò sempre partendo dalle conoscenze accumulate nell'ambito della
tradizionale chimica molecolare, ma aggiungendo un più approfondito
dominio del controllo di fenomeni caratterizzati da una piccola energia.
Infatti mentre la tradizionale chimica molecolare si è sempre interessata al
legame chimico che è alla base della struttura e delle proprietà delle
molecole o dei solidi covalenti e ionici, la chimica sopramolecolare, la
biochimica e la nanochimica degli aggregati ordinati si ispirano alle
interazioni deboli fra molecole (legame di idrogeno, forze di polarizzazione
come le forze di Van der Walls, ecc.) che permettono di controllare la loro
autoorganizzazione.
Nella nanosfera la scienza chimica, pur avvalendosi di essenziali contributi
interdisciplinari da parte della fisica e della biologia, può acquistare un
vantaggio competitivo che nasce dalla dimestichezza nel guidare le
interazioni fra atomi e molecole.
Mentre nella chimica sopramolecolare l'autoorganizzazione si basa su
fenomeni sempre controllati da forze deboli, tipiche del processo di
riconoscimento molecolare che regola i processi di organizzazione delle
macromolecole biologiche (come DNA, RNA, grandi proteine, ecc.) e di
autoreplicazione alla base della genomica e proteinomica, le nanotecnologie
sono regolate da processi di autoorganizzazione in cui entrano in gioco
forze di polarizzazione selettive, spesso di Van der Walls, che permettono di
ottenere specifiche architetture cristalline (come nelle zeoliti micro e
nanoporose), miscele solide estesamente organizzate (come nei
nanocompositi polimerici), film sottili di molecole organizzate dotati di
particolari proprietà ottiche, elettriche o magnetiche.
Voglio solo elencare brevemente i settori in cui le nanotecnologie, grazie al
contributo della scienza chimica, stanno producendo o possono produrre
significative innovazioni:


· I nuovi materiali strutturali ad altissime prestazioni come i nanocompositi
polimerici con superiori proprietà meccaniche e di barriera e i nuovi film
superficiali ceramici o metallici come rivestimento per la protezione
all'usura e alla corrosione
· I nuovi catalizzatori micro e mesoporosi
· Le nanodispersioni di particelle colloidali ad altissimo grado di
stabilizzazione per esempio in un solvente acquoso
· Le nanodispersioni in solidi, polimeri, vetri di nanoparticelle metalliche o
di ossidi o di solfuri, che possono arrivare a dimensioni tali che le loro
proprietà entrano nel mondo degli effetti quantici così da poter trovare
potenziali applicazioni elettroniche (single electron tunneling),
fotovoltaiche, come sensori con risposta ultrarapida, come sistemi
optoelettronici per l'elaborazione della risposta ottica e infine nella
catalisi come nanoparticelle metalliche con proprietà catalitiche
altamente specifiche
· Nuovi nanomateriali funzionali come i polimeri elettroconduttori o
fotomettitori per arrivare alle membrane per nanofiltrazioni le cui
proprietà dipendono da "superstrutture" molecolari
· Superfici e film ultrasottili di polimeri o materiali cristallini ben
caratterizzati da immagini reali dell'assett degli atomi o delle molecole
essenziali allo sviluppo di nuove apparecchiature elettroniche o fotoniche
che sono regolate dalle proprietà funzionali dei componenti atomici o
molecolari dei film.
· Strati protettivi nanoorganizzati e supersottili di spessore praticamente
molecolare per produrre effetti fisici importanti quali caratteristiche
antistatiche o di repellenza allo sporco, di ultramorbidezza o di
antisdrucciolo, di tenacissima adesione o anche di biocompatibilità.

Quanto detto è già una realtà che sta passando dalla fase di ricerca alla
fase di sviluppo e di commercializzazione.
Ma si intravede anche un futuro in cui una chimica sofisticata sarà la base
nanotecnologica per esempio per la prossima generazione di sistemi per la
microelettronica o per la trasmissione dell'informazione con tecniche
optoelettroniche o per settori alternativi o ad alta resa di produzione di
energia.
Alcuni di questi sistemi, che possiamo chiamare macchine molecolari, non
rappresentano più un disegno futuristico, ma grazie alla chimica sono una
realtà di ricerca avanzata di grande potenzialità.
L'approccio nanotecnologico permetterà anche di superare la classica
separazione in materiali strutturali e funzionali e di prevedere la creazione
di materiali intelligenti semplici o complessi, cioè che siano capaci di
adattare le loro intrinseche proprietà al micro-ambiente che li circonda,
come materiali molecolari o micro-leghe che possono ricordare la loro
precedente forma o che siano in grado di autoripararsi o di cambiare colore
a seconda delle sollecitazioni, e infine che siano capaci di immagazzinare e
rilasciare a secondo dei segnali ricevuti impulsi elettrici o informazioni
ottiche o magnetiche.