Le grandi sfide della Chimica -(aggiornamento)

(la prima puntata di questo post è sul nostro sito:

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2013/01/page/2/)

a cura di Bruno Pignataro

Nel ricordare che gli argomenti più discussi/apprezzati in termini di quesiti, sfide, misteri, opportunità per la chimica saranno messi insieme in una lista definitiva entro la fine del 2013, in questo aggiornamento si raccolgono le idee che sono venute fin ora fuori con il contributo principale dei blogger (quali Saggiomo, Gentili, Gifth…) e alcune discussioni con altri colleghi. E’ sempre più ovvio che la lista dei temi è ancora in una sua fase intermedia di definizione, potrebbe essere molto più lunga e gli argomenti scelti anche molto diversi rispetto a quelli qui selezionati. Sarà inoltre conveniente che questo sforzo della SCI, come già detto, sia esteso almeno a livello europeo. In questo post si sta tentando di fare le scelte anche in relazione alla previsione circa la possibilità di portare a degli avanzamenti nelle aree individuate che si possano concretizzare in tempi relativamente brevi. La lista dei temi fin ora individuati, alcuni di più ampio respiro e altri almeno apparentemente più confinati ad aree particolari, è qui di seguito riportata.

1) Vita artificiale non necessariamente basata sul carbonio

Questo argomento, al tempo stesso controverso e parecchio stimolante, può essere visto in relazione ad almeno due aspetti. Il primo è connesso al fatto che recenti esperimenti hanno permesso di definire il campo della “inorganic biology” (vedi per esempio http://www.sciencedaily.com/releases/2011/09/110915091625.htm).                                          Il secondo parte dalla considerazione che per avere delle prove, un esperimento deve essere almeno riprodotto e che, 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. Senza per altro entrare in problematiche tipo biocentrismo di Robert Lanza (www.robertlanza.com/ ) secondo le quali la vita crea l’universo piuttosto che il contrario, forse più interessante e divertente  è invece la vita artificiale (nel senso chimico/biologico del termine) come sistema (compartimentalizzato) che si riproduce, che abbia un’eredità “genetica” e sia capace di evolversi.

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

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 oltre che una sfida, una grossa opportunità per i chimici. Questo contesto include ovviamente lo sfruttamento di numerosi sistemi molecolari come polimeri e molecole coniugate, nanoparticelle a base di carbonio (grafene, nanotubi, fullereni e loro derivati), nanoparticelle metalliche, nanocompositi, blend di film sottili ecc.. sintetizzati/preparati e studiati dai chimici così come l’integrazione di circuiti elettronici su plastica che secondo alcune roadmap industriali potrebbe conquistare, nel prossimo futuro, una fetta di mercato pari al 20-30% di quello dell’elettronica tradizionale e/o aprire nuovi settori applicativi prima non possibili.

3) Nuovi approcci per prevedere e interpretare le proprietà emergenti dei sistemi complessi

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, e possibilmente 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.
Inoltre è importante affrontare lo studio dei sistemi complessi considerando fenomeni lontano dall’equilibrio su diverse scale dimensionali e temporali. Dal punto di vista teorico, computazionale e sperimentale ancora non abbiamo importanti strumenti di continuità che riescano a coprire i comportamenti dei sistemi chimici dalle piccole fino alle grandi scale dimensionali e temporali con particolare riferimento alla dinamica dei fenomeni e quindi ai diversi meccanismi di trasformazione.

4) Origine dell’omochiralità

Il concetto di chiralità in chimica è un elemento fondamentale per la descrizione della struttura delle molecole e per comprenderne le interazioni, ma è anche fondamentale per la comprensione dell’evoluzione della vita naturale. In particolare, l’origine dell’omogeneità chirale in natura non è ancora compresa come non è ancora chiaro se la vita avrebbe potuto evolversi in modo analogo se al posto degli stereoisomeri presenti ci fossero state le loro immagini speculari, per esempio se tutti gli aminoacidi fossero stati D e non L (http://wp.me/pVgju-cU).

5) Superconduttori ad alta temperatura

Questo argomento è chiaramente messo in relazione ai necessari approfondimenti teorici sui sistemi chimici chiave di volta energetica per l’ambita superconduttività ad alte temperature (possibilmente a temperatura ambiente!) che permetterebbe applicazioni di tipo rivoluzionario in molti campi della scienza e della tecnologia. Vedi “I misteri irrisolti della chimica” (http://wp.me/pVgju-cU).

6) Struttura intima della molecola dell’acqua e sue “strane “ proprietà

Questo al fine di superare i lati oscuri, che incredibilmente ancora esistono nel XXI secolo, della molecola alla base dei principali processi vitali e naturali (http://wp.me/pVgju-cU); vedi anche P. Ball in http://philipball.co.uk/index.php?option=com_content&view=category&layout=blog&id=13&Itemid=16

7) Basi chimiche della memoria

Questo altro affascinante tema è in continua evoluzione e ogni giorno si riscontrano degli avanzamenti nella nostra conoscenza dei processi chimici che stanno alla base dei modi che regolano il pensiero e i ricordi del nostro cervello. http://www.lescienze.it/news/2011/10/18/news/prova_articolo-597799/

8) Sfruttamento dell’energia solare a fini energetici

Anche questo è un argomento con molte sfaccettature che vanno dalle arcinote problematiche sull’energia solare incluse quelle sul fotovoltaico (efficienza di conversione energetica, stabilità dei materiali e riduzione dei costi dei processi) e la fotosintesi artificiale a quelle altrettanto studiate sulla produzione di biocombustibili e la conseguente richiesta di catalizzatori efficienti per lo splitting dell’acqua nella produzione di idrogeno.

9) Dalla Supramolecular Chemistry alla System Chemistry

Qui il riferimento è alla realizzazione di sistemi complessi sintetici le cui proprietà non derivano semplicemente la somma delle caratteristiche dei singoli componenti molecolari definendo cioè nuove funzioni a livello di sistema. Limitando per semplicità la discussione al campo della salute, é evidente che la chimica sta sempre più trovando soluzioni in diversi suoi settori dalla prevenzione, alla diagnostica, alla terapeutica. In questo ambito, la possibilità di ingegnerizzare nanosistemi programmabili, capaci di svolgere a livello sub-cellulare simultaneamente e/o in tempi differenti operazioni di monitoraggio e diagnostica, operazioni chirurgiche per riparare e/o distruggere siti e processi molecolari patologici ecc.. è di recente diventata una sfida molto condivisa dalla comunità scientifica. Il settore della nanomedicina sebbene per sua costituzione interdisciplinare vede le competenze dei chimici di fondamentale importanza essendo appunto fondamentale sviluppare capacità sintetiche per la realizzazione di nanoparticelle multifunzionali e macchine molecolari biocompatibili. Oltre allo sviluppo di nuove strategie nel campo della salute, gli approcci chimici di sistema sarebbero ovviamente alla base anche degli altri grandi settori applicativi inclusi quello dell’ambiente e dei beni culturali, del settore energetico e del vivere quotidiano.

_________________

Qui sotto alcuni siti che potrebbero essere visitati in relazione agli argomenti di cui sopra:

(http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=10-unsolved-mysteries),

(http://portal.acs.org/portal/PublicWebSite/pressroom/podcasts/globalchallenges/index.htm)

(http://wp.me/pVgju-cU)

http://keespopinga.blogspot.it/2012/08/il-mistero-dellomochiralita.html

http://www.sciencedaily.com/releases/2011/09/110915091625.htm)

http://philipball.co.uk/index.php?option=com_content&view=category&layout=blog&id=13&Itemid=16

http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_unsolved_problems_in_chemistry

www.robertlanza.com/

http://www.lescienze.it/news/2011/10/18/news/prova_articolo-597799/

Aggiungete e commentate vostre idee sui challenges in chemistry

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?

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.