Solo l’1 percento delle sostanze chimiche è stato scoperto: come possiamo trovare il resto? Ecco come gli scienziati cercano nuove sostanze chimiche che potrebbero cambiare il mondo.
L’universo è pieno di miliardi di sostanze chimiche, ognuna delle quali rappresenta un potenziale infinito. E ne abbiamo identificato solo l’1 percento. Gli scienziati credono che le sostanze chimiche ancora sconosciute potrebbero aiutare a rimuovere i gas serra o innescare una svolta medica simile alla penicillina.
Ma prima di tutto, diciamolo chiaramente: non è che i chimici non siano curiosi. Da quando il chimico russo Dmitri Mendeleev ha inventato la tavola periodica degli elementi nel 1869, che è fondamentalmente una scatola di Lego per i chimici, gli scienziati hanno scoperto le sostanze chimiche che hanno contribuito a definire il mondo moderno. Abbiamo avuto bisogno della fusione nucleare (lanciare atomi l’uno contro l’altro alla velocità della luce) per ottenere gli ultimi elementi. L’elemento 117, il tennessine, è stato sintetizzato nel 2010 in questo modo.
Ma per comprendere l’intera portata dell’universo chimico, è necessario comprendere anche le sostanze chimiche composte. Alcune si trovano naturalmente: l’acqua, ad esempio, è composta da idrogeno e ossigeno. Altre, come il nylon, sono state scoperte in laboratorio e sono prodotte in fabbrica.
Gli elementi sono composti da un solo tipo di atomo, e gli atomi sono composti da particelle ancora più piccole, tra cui elettroni e protoni. Tutte le sostanze chimiche composte sono composte da due o più atomi. Anche se è possibile che ci siano elementi ancora da scoprire, è improbabile. Quindi, quante sostanze chimiche composte possiamo creare con i 118 diversi tipi di mattoncini Lego degli elementi che conosciamo attualmente?
Possiamo iniziare creando tutte le sostanze chimiche composte da due atomi. Ce ne sono molte: N2 (azoto) e O2 (ossigeno) insieme costituiscono il 99 percento dell’aria. Probabilmente ci vorrebbe un anno a un chimico per creare una sola sostanza chimica, e in teoria ci sono 6.903 sostanze chimiche composte da due atomi. Quindi, ci vorrebbe un intero villaggio di chimici che lavorano per un anno solo per creare tutte le possibili sostanze chimiche composte da due atomi.
Ci sono circa 1,6 milioni di sostanze chimiche composte da tre atomi, come H₂0 (acqua) e C0₂ (anidride carbonica), che corrisponde alla popolazione di Birmingham ed Edimburgo messe insieme. Quando arriviamo alle sostanze chimiche composte da quattro o cinque atomi, avremmo bisogno che ogni persona sulla Terra ne crei tre ciascuna. E per creare tutte queste sostanze chimiche, dovremmo anche riciclare tutti i materiali presenti nell’universo diverse volte.
Ma questa è una semplificazione, ovviamente. La struttura di una sostanza chimica e la sua stabilità possono renderla più complessa e difficile da creare.
La sostanza chimica composta più grande finora creata è stata realizzata nel 2009 e contiene quasi 3 milioni di atomi. Non siamo ancora sicuri di cosa faccia, ma sostanze chimiche simili vengono utilizzate per proteggere i farmaci contro il cancro nel corpo fino a quando non raggiungono il punto giusto.
Non è possibile che tutte quelle sostanze chimiche siano possibili, vero? È vero che ci sono delle regole, ma sono un po’ flessibili, il che crea più possibilità per le sostanze chimiche composte.
Anche i “gas nobili” (come il neon, l’argon, il xeno e l’elio), che tendono a non legarsi a nulla, a volte formano composti. L’idruro di argon, ArH+, non esiste naturalmente sulla Terra, ma è stato trovato nello spazio. Gli scienziati sono stati in grado di crearne versioni sintetiche in laboratorio che replicano le condizioni dello spazio profondo. Quindi, se si includono ambienti estremi nei calcoli, il numero di possibili composti chimici aumenta.
Il carbonio di solito preferisce essere legato a uno o quattro altri atomi, ma molto occasionalmente, per brevi periodi di tempo, è possibile che siano cinque. Immagina un autobus con una capacità massima di quattro persone. L’autobus è alla fermata, e le persone salgono e scendono; mentre le persone si muovono, brevemente, puoi avere più di quattro persone sull’autobus.
Alcuni chimici trascorrono l’intera carriera cercando di creare composti che, secondo il libro di chimica, non dovrebbero esistere. A volte hanno successo.
Un’altra domanda a cui gli scienziati devono rispondere è se la sostanza chimica che cercano può esistere solo nello spazio o in ambienti estremi, come il calore e la pressione immensi che si trovano nelle fumarole idrotermali, simili ai geyser ma sul fondo dell’oceano.
Spesso la risposta è cercare sostanze chimiche correlate a quelle già conosciute. Ci sono due modi principali per farlo. Uno è prendere una sostanza chimica conosciuta e modificarla leggermente, aggiungendo, eliminando o scambiando alcuni atomi. Un altro è prendere una reazione chimica conosciuta e utilizzare nuovi materiali di partenza. Questo metodo consiste nel cercare sconosciuti conosciuti.
Tornando alla metafora dei Lego, è come costruire una casa, poi una casa leggermente diversa, o comprare nuovi mattoncini e aggiungere un secondo piano. Molti chimici trascorrono la loro carriera esplorando una di queste case chimiche.
Un modo per scoprire nuove sostanze chimiche è osservare il mondo naturale. La penicillina è stata scoperta in questo modo nel 1928, quando Alexander Fleming ha osservato che la muffa nelle sue piastre di Petri impediva la crescita dei batteri.
Più di dieci anni dopo, nel 1939, Howard Florey ha scoperto come far crescere la penicillina in quantità utili, sempre utilizzando la muffa. Ma ci è voluto ancora più tempo, fino al 1945, perché Dorothy Crowfoot Hodgkin identificasse la struttura chimica della penicillina.
Questo è importante perché parte della struttura della penicillina contiene atomi disposti in un quadrato, che è una disposizione chimica insolita che pochi chimici avrebbero potuto immaginare ed è difficile da creare. Comprendere la struttura della penicillina significava sapere come era fatta e poter cercare i suoi cugini chimici. Se sei allergico alla penicillina e hai avuto bisogno di un antibiotico alternativo, devi ringraziare Crowfoot Hodgkin.
Oggi è molto più facile determinare la struttura di nuove sostanze chimiche. La tecnica a raggi X che Crowfoot Hodgkin ha inventato per identificare la struttura della penicillina viene ancora utilizzata in tutto il mondo per studiare le sostanze chimiche. E la stessa tecnica di risonanza magnetica che gli ospedali utilizzano per diagnosticare le malattie può essere utilizzata anche sulle sostanze chimiche per determinarne la struttura.
Ma anche se un chimico immaginasse una struttura completamente nuova non correlata a nessuna sostanza chimica conosciuta sulla Terra, dovrebbe comunque crearla, che è la parte difficile. Capire che una sostanza chimica potrebbe esistere non ti dice come è strutturata o quali condizioni sono necessarie per crearla.
Per molte sostanze chimiche utili, come la penicillina, è più facile e conveniente “farle crescere” ed estrarle da muffe, piante o insetti. Pertanto, gli scienziati che cercano nuove sostanze chimiche spesso cercano ispirazione negli angoli più piccoli del mondo che ci circonda.
