Per la prima volta, un gruppo di scienziati e ingegneri ha intrappolato e forzato due atomi a formare una molecola, organizzando un incontro mirato senza il coinvolgimento di altre sostanze - in pratica, senza bisogno di allestire una reazione chimica ad hoc. Il lavoro è descritto su Science.
Di norma, le molecole si ottengono a partire da collisioni tra atomi, che creano nuovi legami e ne infrangono altri, dando origine, tra i vari prodotti finali, anche alle combinazioni desiderate. Il processo è però caotico e impreciso: si immettono grandi quantità di atomi in un sistema alle giuste condizioni, e la probabilità fa il resto del lavoro.
Incontro combinato. Per superare questo caos chimico, un team di ricercatori dell'Università di Harvard e dell'Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms ha deciso di agire "da Cupido", organizzando l'unione tra un atomo di cesio (Cs) e uno di sodio (Na). Questi atomi si trovano nello stesso gruppo della tavola periodica e hanno proprietà simili, pertanto non tendono, spontaneamente, a legarsi fino a formare molecole.
Al posto di arco e frecce, il team ha utilizzato pinzette ottiche (strumenti che generano impulsi laser altamente focalizzati) per afferrare i due atomi e raffreddarli fino a meno di un decimillesimo di grado sopra allo zero assoluto (-273,15 °C), rallentando così il loro moto individuale. Quindi i due impulsi laser sono stati avvicinati fino a sovrapporsi, consentendo ai due atomi di collidere, mentre un terzo laser emetteva un impulso luminoso per fornire una "spinta" energetica aggiuntiva, e facilitare la reazione.
Il legame è avvenuto e la molecola di NaCs si è - seppur per breve tempo - formata: un risultato importante, che dimostra che anche un impulso laser può servire da catalizzatore in una reazione chimica. Il prossimo passo sarà provare a combinare i due atomi in uno stato fondamentale, non elettricamente eccitato, per formare molecole più stabili.
A che serve? Intanto però le particolari proprietà elettriche della NaCs - un dipolo molecolare, ossia una molecola con distribuzione disomogenea delle cariche elettriche - potrebbero costituire le basi per un nuovo tipo di qubit (da quantum bit, unità di informazione quantistica). In pratica, la base dei più efficienti e veloci computer di domani.
Inoltre, lo stesso procedimento potrebbe essere sfruttato per studiare le reazioni chimiche in ambienti più controllati, e osservare il comportamento di singole molecole isolate.
Dmitrij Mendeleev, l'uomo che mise in ordine gli elementi. Tutti gli studenti di chimica conoscono Dmitri Mendeleev e la sua tavola periodica degli elementi che ordina tutti gli elementi chimici in base ai protoni contenuti nel nucleo di un loro atomo. Meno nota è la storia del suo inventore e della sua invenzione.
Dalla Siberia. Nato nel 1834 a Tobolsk, nella sperduta Siberia, ultimo di almeno quattordici figli, Mendeleev studiò a San Pietroburgo e poi in
Germania, a Heidelberg.
Nel 1867, a 33 anni, da poco nominato professore all’Università di San Pietroburgo, Mendeleev era assorbito dalla scrittura di un manuale sui principi della chimica. Ben presto si rese conto che il lettore inesperto rischiava di perdersi in quel labirinto di dati. Era necessario trovare un modo per organizzare in maniera chiara i vari elementi e le loro proprietà.
Da 4 elementi, a 63 elementi, e poi fino a 118. Gli antichi greci avevano organizzato gli elementi del mondo in quattro gruppi: aria, acqua, terra e fuoco. Un'organizzazione che rimase più o meno immutata fino al XVII secolo quando Robert Boyle aveva spiegato il mondo materiale in termini di elementi, miscele e composti.
Nel 1789 Antoine Lavoisier pubblicò una lista di 33 elementi chimici.
Mendeleev ideò la sua tavola quando erano noti solo 63 elementi, dall'idrogeno all'uranio, L’ordine fu stabilito in base al peso atomico, e la diversa lunghezza delle righe fu decisa per avere, in ogni colonna, elementi con comportamenti chimici simili.
Oggi gli elementi noti sono 118, dopo il recente riconoscimento della scoperta di 4 nuovi elementi(Leggi).
Come un solitario. Mendeleev si dedicò senza sosta per mesi alla sua tavola. Su alcuni foglietti scriveva il nome e le caratteristiche di ciascun elemento, e poi provava a disporli in vario modo, come nel gioco di carte del solitario. In questa immagine alcuni appunti di Mendeleev.
Per quanto MEndeleev sia stato uno scienziato di vastissimi interessi e abbia pubblicato centinaia di lavori in campi molto eterogenei , il suo nome è indissolubilmente legato alla sistema periodico degli elementi.
La versione definitiva nel 1871. Il risultato di questi incastri fu riportato su una tabella di una pagina, rivista da Mendeleev varie volte fino alla versione del 1871, che adottava la disposizione orizzontale, simile a quella utilizzata ancora oggi.
Per quanto già altri chimici avessero notato il regolare ripetersi di determinate proprietà in funzione del peso atomico, tentando anche diverse classificazioni degli elementi, fu soltanto Mendeleev a formulare con chiarezza la legge delle proprietà del peso atomico, ad ordinare gli elementi in gruppi e periodi.
Perché la tavola è così importante. L’importanza della tavola non consisteva solo nel raggruppare gli elementi allora noti in base a certe caratteristiche, ma anche nel prevedere l’esistenza e le proprietà di metalli e gas ancora sconosciuti. L’azzardo calcolato, che aveva lasciato vuote alcune caselle, fu premiato: nel 1875 fu scoperto il gallio, nel 1879 lo scandio e nel 1886 il germanio, dai nomi latini delle nazioni dove erano stati identificati. La sua ipotesi era confermata: in natura esistevano altri elementi.
Precursori e concorrenti. Come quasi sempre accade per le scoperte scientifiche, il russo ebbe precursori e concorrenti. L’inglese John Newlands aveva proposto una tabella, in cui
elementi simili si presentavano a intervalli regolari come le note di una scala musicale. L’analogia non era però piaciuta alla Chemical Society, che la bocciò come “chimica da avan- spettacolo”. Il tedesco Julius Lothar Meyer (nella foto) aveva invece elaborato in maniera indipendente una tavola simile a quella di Mendeleev.
L'unione fa la forza. La tavola periodica nel modo ordinato e sistematico come la conosciamo oggi è frutto di un’integrazione delle ricerche di entrambi gli studiosi. Inizialmente molti chimici e fisici erano dubbiosi circa la legge della periodicità di Mendeleev, ma le ricerche di Meyer fornirono un supporto e un ampliamento significativo a quanto esplicato dal chimico russo, soprattutto quando vennero introdotti i nuovi elementi.
Osteggiato dallo zar. Per le sue idee riformiste Mendeleev fu a lungo osteggiato dall’impero zarista e nel 1890 lasciò, amareggiato, l’università. Tre anni dopo ebbe la direzione della Camera dei pesi e delle misure, dove rinnovò il sistema russo delle unità di misura. Morì nel 1907, dieci anni prima della rivoluzione che avrebbe cambiato il volto della Russia.
Il Doodle di Google. In occasione del 182 anniversario della nascita di Dmitrij Mendeleev, Google ha voluto omaggiarlo con un elegante doodle.
Nel 1975 il poeta e chimico Primo Levi definì la sua tavola periodica «una poesia». Aveva ragione.
Foto: © Google
Le forze molecolari tra atomi di carbonio: le differenze sono marcate dalle diverse tonalità di verde.
Foto: © IBM Research - Zurich
Una molecola di grafene (vedi il testo dell'articolo), composto esclusivamente da atomi di carbonio. Analizzando i legami è possibile verificare se ci sono imperfezioni.
Foto: © IBM Research - Zurich
Fabian Mohn, del gruppo di Physics of Nanoscale Systems dell'IBM di Zurigo.
L'animazione qui sotto mostra come una molecola di ossido di carbonio (la "punta" del microscopio a forza atomica), composto da atomi di carbonio (blu) e ossigeno (rosso), viene deflessa passando sopra una molecola di C60, chiamata "buckyball". Le deviazioni sono dovute alle forze che legano gli atomi.
Foto: © IBM Research - Zurich
