Le grandi sfide della Chimica

a cura di Bruno Pignataro

Nella consapevolezza che la chimica è quella branca della scienza in cui sono stati e possono essere fatti i più grandi miglioramenti e che molte delle domande scientifiche di base più profonde e alcuni dei più urgenti problemi dell’umanità appartengono alla scienza degli atomi e delle molecole, i chimici hanno già da qualche tempo cominciato a individuare problemi e porre quesiti relativi alle grandi sfide che li attendono per quanto riguarda sia le nostre capacità tecnologiche sia le nostre conoscenze fondamentali.

Ad esempio, circa dieci anni fa in un workshop della American Chemical Society venivano proposti i quesititi, veramente ambiziosi,  che la chimica avrebbe potuto affrontare in merito alla comprensione su basi di struttura molecolare dei processi alla base della vita. Questi sono:

1. Che cosa si può fare controllando le capacità  sintetiche dei processi vitali?
2. Quali sono i meccanismi molecolari responsabili dello sviluppo di un organismo?
3. Quali sono le basi molecolari della memoria e dell’apprendimento?
4. Come fanno i processi vitali ad emergere dalla rete delle interazioni tra le reazioni chimiche?
5. Può la chimica essere il maggiordomo della biosfera?
6. Come si possono realizzare degli organismi perfettamente in salute?
7. Possiamo immaginare i componenti cellulari e descrivere le molecole nel loro movimento durante l’assemblaggio cellulare?
8. Si può trovare il modo di collegare tra loro sistemi viventi e non?
9. Come si può vedere, interpretare e dirigere la coreografia molecolare nei sistemi viventi ?
10. Come fanno i sistemi viventi a coordinare i processi molecolari?

terrainbeuta

Più di recente nel 2008 l’ACS ha lanciato un altro ambizioso progetto dal titolo  Global Challenges/Chemistry Solutions (http://portal.acs.org/portal/PublicWebSite/pressroom/podcasts/globalchallenges/index.htm) per identificare le sfide della sostenibilità più pressanti del mondo e per esplorare le soluzioni che emergono dalla chimica. In particolare, si tratta di una serie di podcast che esplorano i problemi più impegnativi del mondo e come la ricerca chimica sta contribuendo a trovare soluzioni. Aggiornato costantemente, questo sito web e podcast, disponibile su iTunes, controlla gli sviluppi e progressi scientifici nella lotta globale per la sostenibilità. Una delle sfide più pressanti di questo progetto si riferisce ad esempio alla penuria d’acqua potabile e alla desalinizzazione dell’acqua marina.
Ancora più recentemente Philip Ball ha individuato in un blog (settembre 2011) e in un articolo di Scientific American (ottobre 2011) dal titolo “10 Unsolved Mysteries in Chemistry” (http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=10-unsolved-mysteries), i seguenti dieci grandi misteri/sfide della chimica       (i titoli della lista seguente sono quelli che si trovano sul blog, quelli dell’articolo sono un po’ diversi).

  1. The origins of life, and how life could be different on other planets.
  2. Understanding the nature of the chemical bond and modeling chemistry on the computer
  3. Graphene and carbon nanotechnology: sculpting with carbon.
  4. Artificial photosynthesis.
  5. Devising catalysts for making biofuels.
  6. Understanding the chemical basis of thought and memory.
  7. Understanding the chemical basis of epigenetics.
  8. Finding new ways to make complex molecules.
  9. Integrating chemistry: creating a chemical information technology.
  10. Exploring the limits of applicability of the periodic table, and new forms of matter that lie outside it.

Un primo commentatore del blog a cui Ball ha dato ragione diceva: “Don’t forget about intermetallic chemistry, though! We know much of what is going on in simple organic molecules and their organometallic relatives, but still have very limited chemical view with respect to intermetallics and the rules that govern their stability. A large percentage of the periodic table are metals, and yet we know very little about how they truly interact.

Insomma, non c’è dubbio che non c’è una lista definitiva. Inoltre, bisogna tener conto che la chimica consiste anche nel trovare delle espressioni creative che discendono dalla conoscenza che la stessa chimica ci dà del mondo. Infatti, le opportunità creative per i chimici stanno ovunque: nel fare veicoli meno inquinanti, nel produrre foglie artificiali, nell’alterare il destino delle cellule, nel comprendere il destino delle stelle, nel realizzare dispositivi elettronici di nuova generazione, nel realizzare organi artificiali,  ecc..

Sulla base di quanto sopra, quali 10 grandi questioni oggi, secondo il vostro punto di vista, rappresentano le grandi sfide della Chimica? Con questo post si vogliono selezionare 10 quesiti/sfide-a-cui-rispondere fra quelle proposti dai soci della SCI nel 2013. I quesiti più discussi/apprezzati saranno messi insieme in una lista definitiva entro la fine 2013.

Siamo consci del fatto che le sfide dovranno essere discusse ed eventualmente risolte a livello supranazionale, ma la lista che verrà fuori speriamo potrà costituire un contributo di sintesi prezioso dei nostri Soci.

Partiamo con alcuni quesiti per completarli con giustificazioni e  commenti ed aggiungerne degli altri e/o sostituirli.

1. E’ l’evoluzione una proprietà di tutta la materia?

2. E’ possibile prevedere i terremoti attraverso la Chimica?

3. Come può la chimica contribuire a formare una società basata sulla bioeconomia?

4. Quanto le molecole possono sostituire/affiancare il silicio per un’elettronica più “smart”?

Inserisci e commenta un tuo nuovo quesito.

10 thoughts on “Le grandi sfide della Chimica

  1. La scienza contemporanea è chiamata a vincere le sfide della Complessità Naturale e Computazionale.
    Quando riusciremo a comprendere a fondo la Complessità Naturale, saremo in grado di risolvere molti problemi rilevanti per l’umanità, come il problema della salute umana, il problema energetico, il problema della salvaguardia dell’ambiente, i problemi di stabilità politica ed economica. Le sfide della Complessità Computazionale potranno esser vinte ideando nuovi algoritmi (probabilmente ispirati dalla natura) e nuove macchine computazionali alternative agli attuali computer a base di semiconduttori.

    • Caro Pier Luigi, sono molto d’accordo col tuo commento.
      Alla razionalizzazione della complessità si affiancano, a mio parere, anche le difficoltà teoriche che abbiamo nel predire e interpretare i fenomeni lontani dall’equilibrio su diverse scale dimensionali e temporali.
      Forse nelle dieci sfide potremo inserirne una che unisce i concetti di complessità e non-equilibrio?

      • Caro Bruno,
        potremmo aggiungere la seguente sfida per la scienza contemporanea:
        “Una nuova teoria per prevedere le proprietà emergenti dei sistemi compless”.

  2. Circa un anno prima dell’articolo di Philip Ball, scrissi un breve post sui misteri ancora irrisolti della chimica, ispirato dalla relativa voce di Wikipedia in lingua inglese.(http://wp.me/pVgju-cU). Tra i più interessanti, a mio modesto avviso, rilevo quello dell’origine dell’omochiralità, i doverosi approfondimenti teorici sui superconduttori (chiave di volta energetica per l’ambita superconduttività ad alte temperature) e le questioni sulla struttura intima della molecola dell’acqua: sembra incredibile che nel XXI secolo esistano ancora lati oscuri di questa molecola, fornendo l’occasione per far circolare impunemente teorie mistiche come la memoria dell’acqua, idrini vari e carburanti dei miracoli a base di HHO!

    • Tutti argomenti sicuramente fondamentali e molto stimolanti. Sull’acqua per chi non l’avesse fatto credo sia veramente interessante leggere il libro di P. Ball “A Biography of Water – Life’s Matrix”.
      Hai qualcosa di interessante da segnalare come approfondimento sull’origine dell’omochiralità?

  3. Sebbene lavori in un laboratorio in cui cercano di scoprire le origini della vita, ho sempre trovato questo campo un gioco senza vincitori. Per avere delle prove, un esperimento deve essere almeno riprodotto. E banalmente, non abbiamo un pianeta con le stesse condizioni primordiali e soprattutto non abbiamo miliardi di anni per riprodurre l’esperimento dell’origine della vita.
    In questo campo avremo sempre e solo ipotesi.

    Molto piu’ interessante è la vita artificiale (nel senso chimico/biologico del termine). Avere un sistema (compartimentalizzato) che si riproduce, che abbia un’eredita’ “genetica” e capace di evolversi. Questo si che è divertente….

    Per l’elettronica smart…. beh ci sto lavorando su. Confido nelle nanoparticelle 🙂

    • Per quanto riguarda la vita artificiale può essere quantomeno stimolante vedere i recenti lavori che hanno permesso di definire il campo della “inorganic biology” (vedi ad esempio http://www.sciencedaily.com/releases/2011/09/110915091625.htm)
      Ritengo che questo sia un argomento al tempo stesso controverso e parecchio stimolante. Il quesito sopra riportato “E’ l’evoluzione una proprietà di tutta la materia?” é sicuramente connesso alla storica questione riguardante la possibilità di avere una vita non basata sul carbonio anche alla luce di questi recenti esperimenti.

      Per quanto riguarda l’elettronica “smart” non più basata sul silicio é un campo aperto da qualche anno e che mette il chimico, in quanto “molecular engineer”, al centro di tematiche tipicamente di dominio di fisici e ingegneri. Questa é quindi, a mio parere, oltre che una sfida, una grossa opportunità per i chimici. Questo contesto include ovviamente l’elettronica su plastica che secondo alcune roadmap industriali potrebbe conquistare, nel prossimo futuro, una fetta di mercato pari al 20-30% di quello dell’elettronica.

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