Scienziate che avrebbero potuto vincere il Premio Nobel: Darleane C. Hoffman (1926- )

Rinaldo Cervellati

Al momento in cui scrivo questo post Darleane Christian Hoffmann si avvia a compiere 92 anni, nella sua lunga vita professionale ha dato fondamentali contributi in chimica nucleare e delle radiazioni per i quali avrebbe meritato il Premio Nobel per la Chimica.

Darleane Christian nasce l’8 novembre 1926 a Terril, una piccola città della Contea di Dickinson nel nord-ovest dell’Iowa[1]. I suoi genitori si erano trasferiti in quella cittadina un anno prima, quando il padre Carl B. Christian, insegnante di matematica, aveva ottenuto il posto di sovrintendente della locale scuola. La madre, casalinga, organizzava eventi e feste scolastiche inoltre scriveva articoli per il giornale cittadino. Scriveva sotto pseudonimo perché questa attività non era considerata conveniente per la moglie del sovrintendente scolastico. Darleane frequentò la locale scuola, a quei tempi dominio quasi assoluto di donne non sposate, un mondo monotono e ristretto di vedove e zitelle. Racconterà la stessa Darleane:

Se una giovane insegnante si sposava era obbligatorio per lei dare le dimissioni… giurai a me stessa di non diventare mai un’insegnante [1].

Nel 1944 Darleane Christian si iscrisse allo Iowa State College[2] frequentando il corso di chimica tenuto da Nellie Naylor, il cui insegnamento la affascinò. Dirà infatti:

Darleane Christian nel 1944

Il suo insegnamento mi ha convinto che la chimica era la scienza più logica, interessante e pratica nel mondo [1].

Dopo essersi diplomata nel 1948 con un B.Sc. in chimica e matematica, Hoffman decise di rimanere allo Iowa State College per proseguire gli studi di dottorato, per il quale ha continuato il lavoro di ricerca con il chimico nucleare Donald S. Martin.

Insieme hanno scoperto diversi nuovi isotopi usando il sincrotrone, uno strumento allora innovativo che utilizza elettroni accelerati per generare raggi X ad alta energia.

Darleane allo Iowa State College per il dottorato, 1950

Nel suo primo semestre di scuola di specializzazione, Darleane incontrò Marvin Hoffman, uno studente di fisica che aveva contribuito a costruire il sincrotrone e pertanto aveva il permesso di utilizzarlo anche di notte. Darleane e Marvin spesso continuavano gli esperimenti fino a tarda sera. Darleane completò la sua tesi di ricerca in tre anni, conseguendo il dottorato nel dicembre 1951. Si sposò con Marvin Hoffman il giorno dopo Natale 1951.

All’inizio del 1952 Dearlane Hoffman iniziò a lavorare all’Oak Ridge National Laboratory, in Tennessee, dove Marvin la raggiunse alcuni mesi dopo aver completato la sua dissertazione di tesi.

Tuttavia fu Marvin a suggerire di spostarsi al Los Alamos National Laboratory, dove egli aveva fatto uno stage di ricerca quando era studente.

Come noto Los Alamos è stata la sede del Progetto Manhattan che ha realizzato le bombe atomiche che hanno azzerato la popolazione civile di Hiroshima e Nagasaki. Negli anni ’50 in piena guerra fredda gli esperimenti nucleari proseguivano nel Nevada Test Site, un desolato tratto di 1.360 miglia quadrate di deserto a nord di Las Vegas. Si calcola che in quel periodo vi furono più di 1000 esplosioni nucleari, per più del 90% sotterranee.

Il lavoro che interessava Darleane Hoffman era comunque l’analisi dei prodotti della fissione. Molti campioni, altamente radioattivi, venivano prelevati dai crateri con opportune precauzioni e inviati ai laboratori di Los Alamos per dettagliate analisi radiochimiche, che a volte rivelavano la presenza di nuovi isotopi. Proprio dai residui di una di queste esplosioni fu fatta una scoperta inaspettata: un nuovo isotopo del plutonio, il plutonio 244 (Pu 244). Misure successive dimostrarono che il Pu 244 aveva un’emivita di oltre 80 milioni di anni.

Racconta Hoffman [1]: Per anni si è supposto che l’uranio 238, che ha un’emivita di 4,5 miliardi di anni, fosse l’isotopo radioattivo più pesante in natura. Con la scoperta del plutonio 244, abbiamo iniziato a ipotizzare che potrebbe essersi formato durante l’ultima nucleosintesi nel nostro sistema solare da 4,5 a 5 miliardi anni fa. Se quell’evento ha prodotto uranio 238 potrebbe anche aver prodotto il plutonio 244, e parte di esso avrebbe potuto essere ancora presente sul nostro pianeta. La caccia al Pu 244 sulla Terra si era aperta.

Darleane Hoffman, da ottimo chimico sapeva bene che le proprietà redox del plutonio erano simili a quelle del cerio, un elemento dei lantanidi (terre rare) situati appena sopra agli attinidi (cui appartiene il plutonio) nella tavola periodica degli elementi. Questo la portò a cercare un luogo ricco di minerali contenenti cerio. Negli Stati Uniti la fonte più nota di minerali contenenti terre rare era all’epoca il Mountain Pass di California dove Hoffman si procurò il minerale, principalmente bastnasite, il cui componente principale è fluorocarbonato di cerio. Utilizzando procedimenti chimici standard su larga scala e piuttosto complicati di estrazione con solventi e cristallizzazione frazionata, nell’ipotesi basata sulle proprietà chimiche, che cerio e plutonio si sarebbero concentrati nel solvente, Hoffman e collaboratori riuscirono a purificare il campione di minerale fino a rilevare in esso la presenza dell’isotopo Pu 244 attraverso misure di spettrometria di massa, in concentrazione stimata di 1 parte su 1018 parti[3]. Il risultato fu pubblicato nel 1971 [2].

Successivamente Glen T. Seaborg[4] definì questa impresa “un tour de force sperimentale”.

Va ricordato che fra il 1952 e il 1960 Darleane Hoffman iniziò a crescere una famiglia, una figlia, Maureane nel 1957 e un figlio, Daryl nel 1959, continuando comunque attivamente il lavoro di ricerca.

Darleane Hoffman col marito e i due figli a Los Alamos nel 1974

Lavoro di ricerca che fece un altro importante passo avanti proprio nel 1971.

Hoffman stava continuando a cercare nuovi isotopi radioattivi di elementi pesanti nei campioni provenienti da test nucleari sotterranei. L’elemento più pesante che fu in grado di rilevare era il fermio 257[5], un attinide con numero atomico 100 e emivita di circa 100 giorni.

Il suo gruppo aveva isolato abbastanza isotopo per studiarne la fissione spontanea, ricontrollando i dati della frammentazione Hoffman fece una scoperta sorprendente. Una parte significativa dei nuclei di fermio 257 non si divideva in modo coerente con la teoria esistente, secondo la quale nella fissione il nucleo atomico si spacca in due nuclei diversi, non simmetrici. La fissione di questi nuclei di fermio produceva invece due frammenti simmetrici di massa uguale, quindi doveva esserci qualcosa di cui la teoria esistente non aveva tenuto conto. Quando Hoffman presentò questi risultati a una riunione dell’American Physical Society, i fisici l’ascoltarono con fare sprezzante. Pare che alcuni le abbiano detto con una risatina: “Bene, i chimici non sanno come misurare queste cose, è meglio che tu vada a casa a controllare i tuoi rivelatori”. Dice Hoffman [1]:

Pensavano che io, come chimico, dovevo aver fatto un errore.

Ma il gruppo a Los Alamos, insieme ai colleghi del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) confermarono presto i risultati.

Hoffman aveva scoperto l’importanza dei gusci nucleari nella fissione spontanea. Diversi anni prima era stato postulato che il nucleo atomico fosse costituito da gusci simili ai gusci degli elettroni.

Hoffman seguì questa ipotesi per chiarire il ruolo di questi gusci nucleari nella fissione spontanea degli isotopi del fermio. Hoffman e collaboratori identificarono diversi isotopi del fermio con diverso numero di neutroni nel nucleo. Riporta Hoffman [1]:

L’isotopo fermio 258 ha un tempo di emivita molto basso e può scindersi simmetricamente in due frammenti di massa uguale, entrambi consistenti di gusci nucleari di neutroni e protoni quasi pieni.

È stata una delle mie scoperte più importanti.

L’importanza dei gusci nucleari nei frammenti di fissione fu un notevole passo avanti nella comprensione della fissione spontanea, disse G. T. Seaborg quando commentò i risultati da Berkeley.

Nel 1975, Hoffman divenne una leader del settore di ricerca avente lo scopo di studiare la diffusione dei radionuclidi lontano dal sito dei test nucleari sotterranei. Il suo lavoro in questo progetto è stato un contributo fondamentale alla comprensione del comportamento dei radionuclidi nell’ambiente.

Durante gli anni ’70, Seaborg aveva sviluppato un crescente rispetto per il lavoro scientifico di Hoffman. Nel 1978, grazie a una borsa di ricerca Guggenheim, Seaborg la invitò a lavorare nel Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) da lui diretto. Hoffman accettò e rimase a lavorare a Bekeley per quasi un anno intero sulla fusione spontanea utilizzando il ciclotrone da 88 pollici disponibile all’LBNL.

Hoffman con la collaboratrice Lee al sincrotrone da 88, Berkeley 1979

Tornò a Los Alamos nel 1979, chiamata a dirigere la Divisione di chimica nucleare, prima donna alla guidare una divisione scientifica a Los Alamos. Anche se per un certo tempo ha provato a fare avanti e indietro fra Berkeley e Los Alamos, i suoi doveri amministrativi le ha lasciavano poco tempo per la propria ricerca e la situazione stava diventando sempre più difficile.

Nel 1982 Seaborg compiuti 70 anni sarebbe andato in pensione. Conoscendo il desiderio di Hoffman di continuare la sua ricerca, vide un’opportunità per attirarla al LBNL assicurando così una continuità per la chimica nucleare a Berkeley. Con l’aiuto di altri chimici nucleari del LBNL e dell’

University College di Berkeley, fu in grado di offrire a Hoffman una cattedra a pieno titolo allo University College e la leadership del gruppo di chimica nucleare e radiochimica del LBNL.

Incerta, chiese consiglio al marito Marvin che pare le abbia detto: “Saresti una pazza a rifiutare l’offerta.”

Nell’agosto del 1984, dopo 31 anni a Los Alamos, Darleane e Marvin fecero il grande passo di trasferirsi a Berkeley. Racconta Hoffman [1]:

Ero esitante, di certo non sono andata per sostituire Glenn Seaborg, nessuno poteva farlo, piuttosto ero molto devota alla mia divisione a Los Alamos, sentivo però che era in buone condizioni e che era giunto il momento di aiutare a educare la prossima generazione di studenti nel settore nucleare e radiochimico. E aggiunge: Ovviamente, ciò significava che dovevo rinnegare il voto che avevo fatto in gioventù di non insegnare mai! Ma negli anni ’80 c’erano pochissime donne professori nei dipartimenti di chimica delle principali università e ho sentito l’obbligo di aiutare a formare donne e uomini nel settore. Ero solo la seconda donna all’University College di Berkeley, arrivata poco dopo Judith Klinman, che in seguito divenne la prima donna Preside della Facoltà di Chimica.

In effetti, dall’arrivo di Hoffman a Berkeley altre quattro donne si aggiunsero al personale docente dell’University College e Darleane ne fu molto orgogliosa.

Hoffman è grata per gli anni in cui ha lavorato con Seaborg, morto nel 1999. Di lui dice [1]:

Era gentile, generoso e un meraviglioso mentore. Seaborg era alto un metro e settantacinque, io sono a malapena sopra 1,50. Preferiva le scale per partecipare alle riunioni nel campus ed era letteralmente difficile per me tenere il suo passo.

Darleane C. Hoffman e G.T. Seaborg

Insieme a Seaborg e a Albert Ghiorso hanno pubblicato il libro “The Transuranium People. The Inside Story” [3].

Una volta stabilitasi a Berkeley, Hoffman ha continuato il suo lavoro di individuazione degli isotopi di elementi transuranici. Continuò dapprima il lavoro sul fermio, poi ha contribuito alla caratterizzazione del bohrio (Bh), l’elemento 107, oltre a verificare l’esistenza di elementi più pesanti. Il suo gruppo ha anche confermato la scoperta nel 1974 dell’elemento 106, permettendo così che fosse chiamato Seaborgio (Sg) in onore di Glenn Seaborg.

Il gruppo di Hoffman è stato il primo a studiare la chimica in soluzione acquosa dell’elemento 105[6] . Tali studi sono stati condotti utilizzando un isotopo del 105 avente un’emivita di 34 secondi !.

Nel 1991 si ritirò dall’insegnamento attivo per aiutare a fondare il Seaborg Institute for Transactinium Science al LLNL, di cui è stata il primo direttore dal 1991-96. Nel 1997, il presidente Bill Clinton l’ha premiata con la National Medal of Science, la più alta onorificenza pubblica che uno scienziato può ricevere negli Stati Uniti. Nel 2000 ha ottenuto La Medaglia Priestley della American Chemical Society, la più prestigiosa onorificenza conferita da questa società. In precedenza, nel 1983 la stessa ACS le aveva assegnato il Premio per la Chimica Nucleare.

Hoffmann riceve la National Medal of Science, 1997

Ma l’infaticabile Darleane non si ferma, nel 2011 si reca a Oslo per partecipare a un Convegno in ricordo del centenario del Premio Nobel a Marie Curie dove parlò verso la fine della conferenza, dopo l’intervento della nipote della Curie, Helène. “Era un compito difficile perché Helène è un noto fisico nucleare francese, ma mi sono concentrata sulla lezione tenuta da Marie Curie in occasione del ricevimento del Nobel, in cui predisse l’uso della chimica per identificare nuovi elementi”.

Ma i coniugi Hoffman erano già stati in Norvegia nel 1964 con borse di studio postdottorato e vi rimasero per un anno. Visitarono anche l’antica casa del bisnonno di Darleane, di nazionalità norvegese. La figlia Marleane frequentò la prima elementare a Oslo, imparando un “norvegese di primo livello”. Nel 1991 Darleane Hoffman fu eletta membro della Norvegian Academy of Science and Letters.

Hoffman non è stata solo un modello per le donne che intendevano intraprendere la carriera scientifica ma ha lavorato con organizzazioni aventi lo scopo di incoraggiare le giovani donne allo studio delle scienze. Quando le è stato chiesto perché tanti importanti ricercatori nel nucleare sono state donne, Hoffman rispose: Era un campo nuovo, e poi le donne sono sempre in grado di assumere nuovi ruoli. Inoltre vi era una gerarchia meno consolidata e le donne incontravano meno ostacoli che in campi scientifici più tradizionali [1].

Oltre al riferimento [1] altre informazioni biografiche si trovano in SMALL-TOWN IOWA GIRL MAKES GOOD, http://pubs.acs.org/cen/hotarticles/cenear/032700/print/7813pries.html

 

Bibliografia

[1] D. Hoffman, Adventures in the nature of matter, Catalyst, 2011/2012, 6(2), 12-15.

[2] D.C. Hoffman, F.O. Lawrence, J.L. Mewherter, F.M. Rourke, Detection of Plutonium-244 in Nature., Nature, 1971, 234, 132–134.

[3] D. Hoffman, A. Ghiorso, G.T. Seaborg, The Transuranium Peole. The Inside Story., 2000, Imperial College Press, London, 2000.

[1] Terril è veramente un piccolissimo comune di circa 400 abitanti allora come oggi, con una scuola (elementare e media) e una chiesa, vedere la mappa satellitare:

https://www.google.it/maps/@43.3059332,-94.9782066,2299m/data=!3m1!1e3

[2] Dal 1960 Iowa State University of Science and Technology.

[3] Il procedimento utilizzato da Hoffman è in scala più ridotta, simile a quello che portò Marie Curie a isolare prima il polonio e poi il radio da tonnellate di pechblenda, un minerale contenente uranio, nel 1898. Del resto Hoffman afferma che fino da ragazza aveva avuto Marie Curie come modello di donna completamente realizzata [1].

[4] Glenn Theodore Seaborg (1912-1999) chimico statunitense di origine svedese, allievo di G.N. Lewis a Berkeley Premio Nobel per la chimica 1951 (insieme a E.M. McMillan e A.J. Porter Martin) con la motivazione: per le loro scoperte sulla chimica degli elementi transuranici.

[5] Il fermio, elemento transuranico artificiale radioattivo fu scoperto nel 1952 nei frammenti dell’esplosione della prima bomba nucleare all’idrogeno, dal gruppo di ricerca di Abert Ghiorso, scienziato statunitense che ha contribuito alla scoperta di molti elementi transuranici.

[6] All’epoca, 105 era conosciuto informalmente come hahnium (uno dei nomi proposti), ma in seguito fu ufficialmente chiamato dubnio.

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