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Scienziate che avrebbero potuto vincere il Premio Nobel: Lina Solomonovna Stern (1878-1968)

In evidenza

Rinaldo Cervellati

Lina Solomonovna Stern (talvolta Shtern), ebraico-russo-sovietica, biochimico, fisiologo chimico e neurofsiologo, è particolarmente nota per i suoi pionieristici studi sulla barriera emato-encefalica.

Nacque il 26 agosto 1878 a Libava (allora Impero Russo, oggi Repubblica baltica di Lettonia) in una famiglia ebraica. Suo padre era un commerciante esportatore di pane che passava la maggior parte del tempo in Germania per lavoro. Sua madre, una casalinga, ha allevato sette figli, di cui Lina era la maggiore. Compì gli studi fino al diploma liceale nella città natale, poi nel 1898 fu ammessa alla Facoltà di Medicina dell’Università di Ginevra. Stern scrisse il suo primo lavoro scientifico, Study of the So-called Internal Secretion of the Kidneys, quando era ancora una studentessa, nel 1902. Due anni dopo si laureò discutendo la tesi Physiological Study of Ureter Contractions.

La giovane Lina Stern

Successivamente, su proposta del Professor J. Prevost[1], diventò assistente nel Dipartimento di Fisiologia. Qui, insieme a Frederico Batelli, iniziò la ricerca nel campo dell’ossidazione biologica, ricerca che ha portato alla scoperta dell’enzima polifenolossidasi. Particolare importanza rivestono le ricerche di Batelli e Stern sulla sequenza succinato-fumarato-malato e l’identificazione della fumarasi,l’enzima che induce la trasformazione del fumarato in malato. I risultati di questi studi trovarono la loro collocazione nel ciclo di Krebs, venti anni dopo [1].

Negli anni 1917-1925 conseguì il titolo di professore e divenne direttore del Dipartimento di Chimica Fisiologica[2] dell’università svizzera. E’ stata la prima donna professore ordinario all’Università di Ginevra.

Lina Stern nel suo laboratorio di Ginevra

Nulla sembrava prefigurare cambiamenti drastici nella sua vita e nella sua carriera scientifica. Ma, come scrive nella sua autobiografia [1,2][3], datata 19 aprile 1954:

Vivendo in Svizzera, conobbi un certo numero di emigrati politici…ma non presi parte alla vita politica…Ero completamente presa dal lavoro scientifico. La guerra imperialista con le sue conseguenze mi fece riflettere sul problema, scatenando un’avversione per il sistema capitalista e accrescendo di conseguenza le mie simpatie per il movimento rivoluzionario russo.

Dopo la rivoluzione di ottobre, Stern iniziò a considerare uno spostamento in Unione Sovietica. Convinta che sarebbe stato creato un nuovo sistema e una nuova società che avrebbe protetto il mondo dagli orrori della guerra e dall’ingiustizia [2], nel 1924, ricevette, da parte di Alexei N. Bach[4] la proposta di occupare la posizione vacante di capo del Dipartimento di Fisiologia nella Seconda Università statale di Mosca. Lina accettò senza esitazione, anche perché aveva sempre desiderato continuare gli studi in patria ma, come successe a molti altri studenti della sua etnia, ai tempi dello Zar era molto difficile ottenere l’ammissione a una università russa, mentre la Svizzera, in particolare l’Università di Ginevra era nota per il suo atteggiamento liberale verso gli stranieri [1,3].

Lina Stern aveva una perfetta conoscenza delle lingue francese, tedesco, inglese e italiano. Quando arrivò in Unione Sovietica, era già un’eminente scienziata internazionalmente riconosciuta, durante la sua permanenza all’Università di Ginevra aveva pubblicato centocinquanta lavori scientifici.

Fu subito inviata come delegata al Dodicesimo Congresso Internazionale di Fisiologia a Stoccolma nel 1926.

Lo studio della barriera emato-encefalica e della barriera del tessuto sanguigno (BBB, BTB), il lavoro più importante nella vita professionale di Stern, iniziò mentre era a Ginevra, in collaborazione con E. Rotlin e R. Gaultier. Nel suo rapporto alla Geneva Medical Society del 21 aprile 1921, “Il liquido cerebrospinale e la sua interazione con il sangue e gli elementi nervosi del tronco cerebrale”, avanzò la seguente ipotesi: “… tra sangue, da un lato, e liquido cerebrospinale dall’altra c’è un apparato o meccanismo speciale, in grado di eseguire un tipo di screening di sostanze che sono normalmente presenti nel sangue o che vi sono entrate accidentalmente. Proponiamo di chiamare questo meccanismo ipotetico, che lascia passare alcune sostanze mentre rallenta o blocca completamente altre, Blood-Brain Barrier (BBB)[barriera emato-encefalica]”.

Lisa Stern

                            Schema BBB di Stern e immagine reale

Secondo Stern, il fluido cerebrospinale è l’ambiente nutrizionale a diretto contatto del cervello, la fonte che fornisce alle cellule cerebrali le sostanze necessarie per il normale funzionamento. La barriera emato-encefalica è, quindi, un meccanismo protettivo del sistema nervoso centrale.

Questa ricerca proseguì con successo a Mosca, nell’Istituto di Fisiologia fondato da Stern. Qui, lo studio si concentrò sulla funzione regolatoria del BBB, sul suo ruolo durante la somministrazione diretta di sostanze nei ventricoli del cervello, sugli effetti di acetilcolina, adrenalina e insulina sul sistema nervoso centrale, sull’importanza della barriera emato-encefalica nella pratica clinica, in particolare per il trattamento di malattie infettive del cervello e dello shock traumatico. Con una serie di esperimenti studiò il diverso effetto sui centri nervosi a seconda che le sostanze fossero introdotte nel sangue o direttamente nel liquido cerebrospinale o nel cervello o nel midollo spinale [1].

Lina Stern fin dal 1923 si era domandata se il meccanismo BBB esistesse solo per il sistema nervoso o se vi fossero meccanismi analoghi per tutte le funzioni del corpo, destinati a regolare/mantenere la relativa costanza di composizione e di proprietà dell’ambiente a diretto contatto con tutti gli organi, tessuti e cellule.

Nella sua lecture alla Conferenza sulla Permeabilità nel 1936, Stern sviluppò il concetto di Blood Tissue Barrier (BTB): “La barriera del tessuto sanguigno non è solo un concetto morfologico. È un’unità funzionale, o, per essere più precisi, un meccanismo, che ha il suo fondamento anatomico nelle pareti dei capillari. Dobbiamo ricordare che è un meccanismo complesso, e la penetrazione di sostanze attraverso una parete capillare è solo la prima fase, solo una parte nel complesso processo del passaggio di sostanze dal flusso sanguigno alle cellule parenchimatiche dell’organo.”

Gli studi successivi sulla regolazione di composizione, proprietà fisiologiche e fisico-chimiche dell’ambiente circostante di organi, tessuti e cellule, condotti da Stern e dalla sua scuola, non sono solo fondamentali nella teoria, comportano anche una decisiva applicazione pratica. In particolare, sono importanti per il trattamento di gravi malattie del sistema nervoso centrale come la sifilide del cervello, il tetano, le encefaliti e la meningite tubercolare.

In effetti, il BBB, che normalmente fornisce protezione vitale per il sistema nervoso centrale dall’effetto dannoso di sostanze che accidentalmente entrano nel flusso sanguigno o sono create nel processo di scambio, può, in certe condizioni patologiche, avere un effetto negativo.

Molti farmaci (inclusi antibiotici e sieri di trattamento) non penetrano nel sistema nervoso perché il BBB li tiene nel sangue. Al fine di superare l’impermeabilità delle barriere, Stern propose un metodo di somministrazione di farmaci direttamente nei ventricoli del cervello (metodo suboccipitale), che ha dimostrato qualche efficacia nel trattamento delle malattie sopra elencate.

Leon A. Orbeli[5], accademico-segretario del Dipartimento di Scienze Biologiche dell’Accademia delle Scienze dell’URSS, ha parlato molto delle ricerche di Stern. Nel suo rapporto al Presidium dell’Accademia delle Scienze dell’URSS il 16 gennaio 1945, delineò la teoria delle barriere sviluppate da Stern e ne enfatizzò il grande significato teorico e pratico. Le applicazioni in campo medico delle ricerche di Stern hanno salvato migliaia di vite sui fronti della seconda guerra mondiale.

Nonostante il riconoscimento dei suoi colleghi, sia all’estero che in URSS, e premi governativi (nel 1943 le fu assegnato il Premio Stalin, nei due anni successivi fu insignita rispettivamente dell’Ordine della Bandiera Rossa del Lavoro e dell’Ordine della Stella Rossa), Stern non sfuggì all’ondata di repressioni staliniste antiebraiche degli ultimi anni ‘40-inizio anni ’50.

Durante la seconda guerra mondiale, Lina Stern era stata membro del Comitato Antifascista Ebraico organizzato su iniziativa dell’Unione Sovietica per mobilitare il sostegno ebraico mondiale agli sforzi bellici dell’URSS contro la Germania nazista. Composto da personalità e intellettuali ebrei, il Comitato fu sciolto dopo la fine della guerra. I suoi membri furono accusati di attività sioniste antisovietiche da parte dell’ala più intransigente degli stalinisti. Stern fu esautorata dai suoi incarichi nel 1948, arrestata nel 1949 e condannata all’esilio in Kazakhistan, dove rimase fino alla morte di Stalin, nel 1953.

Nella sua autobiografia [1,2], Stern scrive molto poco su questo periodo della sua vita: Nel 1949 fui arrestata dal MGB[6], e nell’agosto del 1952 esiliata a Jambl. Nel 1953, fui liberata e tornai a Mosca. Convocata al Ministero degli Affari Interni ho ripetuto che ero stata arrestata ingiustamente.

Con il decreto del Presidium dell’Accademia delle Scienze dell’URSS del 1° settembre 1953, Lina Solomonovna fu reintegrata nell’Accademia come membro a pieno titolo [2].

Con il suo tipico vigore, Stern si rimise al lavoro: in qualità di capo del Laboratorio di Fisiologia dell’Istituto di Biofisica, ottenne strutture, attrezzature e personale adeguato. I risultati delle sue nuove ricerche ebbero un importante significato teorico e pratico in medicina e in agricoltura, fornendo una soluzione ai problemi legati all’invecchiamento e alla crescita maligna delle cellule. Furono la base dei rapporti che Stern presentò all’8° Congresso dei Fisiologi dell’URSS (1955) e alla Conferenza tecnico-scientifica di tutti i Soviet (1957). Il titolo del primo rapporto era “Il significato dell’ ambiente nutrizionale a diretto contatto degli organi e il ruolo delle barriere dei tessuti sanguigni, in particolare, il BBB, nella regolazione neuro-umorale e nel coordinamento delle funzioni corporee”; il secondo rapporto era intitolato “L’effetto delle radiazioni ionizzanti sui fattori che determinano la composizione e le proprietà dell’ambiente biologico a diretto contatto con gli organi e i tessuti del corpo animale” [2]. I risultati esposti nella seconda conferenza sono serviti a chiarire la patogenesi della malattia da radiazioni.

Il curriculum vitae di Stern nella Russia sovietica è la testimonianza del suo vigore, della sua incredibile energia e della sua immensa capacità lavorativa. Dal 1926 al 1928 diresse il Dipartimento di Biochimica presso l’Istituto Mechnikov di Malattie Infettive; nel 1929 e nel 1930 è stata a capo del Dipartimento di Fisiologia e Biochimica presso l’Istituto Biomedico; dal 1930 al 1936 è stata a capo del Dipartimento di Fisiologia dell’Età Infantile presso l’Istituto di assistenza materna e dell’infanzia; e dal 1935 al 1938, capo del Dipartimento di Chimica Fisiologica presso l’Union Institute of Experimental Medicine.

Nel 1939 fu eletta membro a pieno titolo dell’Accademia delle Scienze dell’URSS. Diresse l’istituto di Fisiologia fino al 1948. Dopo l’interruzione forzata di cinque anni nel lavoro scientifico a causa dell’arresto e dell’esilio, Stern diresse il Laboratorio di Fisiologia dell’Istituto di Biofisica dell’Accademia delle scienze dell’URSS dal 1954 al 1968.

Negli anni ’30, Stern fu il redattore capo della rivista The Bulletin of Experimental Physiology and Medicine, membro del Presidium della Società di Fisiologi, Biochimici e Farmacologi, vicepresidente della Società dei Fisiologi di Mosca, membro del Consiglio accademico medico del Commissariato della Salute del Popolo e membro dell’ufficio del Consiglio accademico dell’Istituto di Neurochirurgia. Nel 1934, per celebrare trent’anni della sua attività scientifica, educativa e sociale, le fu conferito il titolo di “Operaio onorario della scienza”. Nel 1944 fu eletta membro a pieno titolo dell’Accademia delle Scienze Mediche dell’URSS.

Lina Solomonovna Stern è morta il 7 marzo 1968, le sue spoglie sono sepolte nel Novodevichy Cemetery, il cimitero monumentale di Mosca. Sarà ricordata per le sue ricerche innovative in biochimica e neurofisiologia. Sebbene sia stata umiliata dopo la guerra, non ha mai interrotto i suoi studi scientifici e ha mantenuto gli ideali della sua giovinezza fino alla fine dei suoi giorni.

Per chi fosse interessato, una biografia di Lina Solomonovna Stern si trova anche nel libro European Woman in Chemistry [4], i suoi lavori più importanti sono citati in [1,3].

 

Bibliografia

[1] A. Vein, Science and Fate: Lina Stern (1878–1968), A Neurophysiologist and Biochemist., Journal of the History of the Neurosciences, 2008, 17, 195–206.

[2] Nora A. Grigorian, Lina Solomonovna Stern (Shtern) 1878 – 1968

https://jwa.org/encyclopedia/article/stern-shtern-lina-solomonova

[3] L. Sarikcioglu, Lina Stern (1878–1968): an outstanding scientist of her time., Childs Nervous System, 2017, 33,1027–1029.

[4] A.B. Vogt, Lina Solomonovna Stern (also Shtern, Schtern) (1878-1968), in: J. Apotheker, L.S. Sarkadi (Eds.), European Women in Chemistry, Wiley-WCH, 2011, pp. 59-63.

 

[1] Jean-Louis Prévost (1838 – 1927) fisiologo e neurologo svizzero, professore a Ginevra, autore di più di 60 fra articoli e libri, è considerato il primo ad aver introdotto in Svizzera le moderne pratiche della fisiologia.

[2] La Chimica fisiologica faceva parte della Fisiologia, ma non era ancora considerata come un campo di studio indipendente. Stern fece aggiungere questa disciplina al curriculum della Facoltà di Medicina e, nel 1918, fu istituito il nuovo Dipartimento di Chimica Fisiologica all’Università di Ginevra [1].

[3] Nel rif [1] l’autore fa riferimento all’autobiografia contenuta in Arkhiv Rossiskoi Academii Nauk (Archivio Dell’Accademia Russa delle Scienze); l’autrice di [2] fa riferimento alla data precisa di stesura dell’autobiografia. I brani riportati dai due autori sono comunque praticamente identici.

[4] Alexei Nikolaievich Bach (1857-1946), chimico e rivoluzionario russo è considerato il fondatore della biochimica nell’Unione Sovietica. Membro dell’Accademia delle Scienze dell’URSS, è stato membro anziano del Soviet Supremo.

[5] Leon Abgarovich Orbeli (1882-1958) fisiologo russo-armeno, ha avuto un ruolo importante nello sviluppo della fisiologia evoluzionista con più di 200 lavori sperimentali e teorici. Membro dell’Accademia delle Scienze dell’URSS, fu amico di Lina Stern sia prima sia dopo l’esilio, quando anche lui non era più nelle grazie delle autorità sovietiche.

[6] Acronimo per Ministero della Sicurezza dello Stato con funzione di servizi segreti, attivo in URSS dal 1946 al 1953. Seguito poi dal KGB, la più nota agenzia segreta della Russia sovietica, attiva dal 1954 al 1991. Oggi i compiti di sicurezza sono svolti dal FSB, i servizi della Federazione Russa.

La Metanogenesi catalitica sui pianeti rocciosi

In evidenza

Diego Tesauro.

La maggior parte dell’opinione pubblica conosce il metano come fonte energetica, ma nell’universo sicuramente ha una funzione ancora più importante.

E’ infatti il più semplice composto organico sul quale sono basate diverse ipotesi di meccanismi di reazione per la formazione di molecole organiche complesse e delle biomolecole.

Inoltre Il metano è uno dei composti più diffusi dell’universo, come intuitivamente è logico supporre, considerando che la maggior parte dell’universo è costituito da idrogeno (attualmente circa il 74%) ed il carbonio, prodotto nei nuclei delle stelle giganti rosse per fusione sintetica di 3 nuclei di elio, è il quarto elemento per abbondanza (4.6 %) dopo elio ed ossigeno.

Si forma nelle zone periferiche dei sistemi planetari e infatti lo ritroviamo nei giganti gassosi del sistema solare da Giove a Saturno, ma è particolarmente abbondante nelle atmosfere di Urano e Nettuno. Non è presente invece nelle atmosfere dei pianeti terrestri per la loro vicinanza al sole in quanto la radiazione solare, nelle prime fasi dell’evoluzione del sistema planetario, ha energia sufficiente per rompere i legami chimici come il legame C-H. Allora dove e perché lo ritroviamo nelle zone interne del nostro sistema planetario?

Cratere Gale dove opera il rover Curiosity dal 2012

Sulla Terra attualmente il metano ha pressoché totale origine biologica derivando da processi di digestione anaerobica delle sostanze organiche da parte dei batteri. Ma sugli altri pianeti rocciosi e in particolare su Marte, attualmente c’è metano? Recenti misurazioni in situ di CH4 su Marte nel cratere Gale1 da parte del rover della NASA Curiosity ne ha rilevato una concentrazione di fondo di ~ 0,7 parti per miliardo (ppb) ma ha anche riportato variazioni significative nella sua concentrazione, con picchi dieci volte superiori rilevati in quattro occasioni per un periodo di due mesi legata alla stagionalità (Marte a causa dell’inclinazione dell’asse di rotazione sul piano orbitale di 25° presenta l’alternanza delle stagioni nei due emisferi come la Terra).

Questa scoperta induce ad ipotizzare una possibile sintesi abiotica di CH4 come gas riducente in un’atmosfera ricca di CO2 naturale, come è l’attuale atmosfera marziana e come lo era la Terra in passato. Quindi processi attualmente in corso su Marte potrebbero essere stati attivi sulla Terra primordiale.

Entrambi i pianeti hanno la possibilità di utilizzare acqua come fonte di idrogeno e furono esposti nelle prime fasi ad un significativo flusso di radiazione ultravioletta. Basandosi su modelli fotochimici e sull’attuale comprensione della composizione dell’atmosfera marziana, il metano ha una vita chimica di 300-600 anni, che è, su scala geologica, un periodo molto, ma molto breve. Ciò implica che ci deve essere una fonte attualmente attiva su Marte. Hu et al.2 hanno formulato tre ipotesi sull’origine del metano su Marte:

  • La regolite nel cratere Gale assorbe CH4 quando è secca e rilascia CH4 nella deliquescenza durante l’inverno.
  • I microrganismi convertono la materia organica nel terreno in CH4. Tuttavia, questo scenario suppone l’esistenza di una vita esistente su Marte, e fino ad oggi non è stata trovato alcun indizio.
  • Le falde acquifere sotterranee profonde generano emissioni esplosive di CH4.

A queste ipotesi si è aggiunta una quarta formulata da Shkrob et al. 3 basata su una complessa chimica del carbonio governata dalla radiazione ultravioletta che porta alla formazione di metano e monossido di carbonio dalla riduzione del biossido di carbonio. Questa ipotesi è stata ulteriormente sviluppata recentemente in un articolo pubblicato su Nature Astronomy4 mediante esperimenti condotti in laboratorio simulando condizioni presenti su Marte o sulla Terra primordiale.

Il rover Curiosity su Marte. Lanciato da Cape Canaveral il 26 novembre 2011 è « ammartato » il 6 agosto 2012

Pertanto Marte potrebbe essere contemporaneamente un “fotoreattore” di dimensioni planetarie che decompone molecole di materia prima carbossilata che producono CH4 e un pianeta “fotosintetico”, in cui il metano viene generato dal biossido di carbonio su superfici catalitiche.
La sintesi di CH4 da CO2 è influenzata dalle quantità di H2O e di CO2 adsorbite sulle superficie fotocataliche del catalizzatore minerale in presenza di una sufficiente insolazione. Questo modello può essere valido anche per la Terra primordiale, per Titano, il più grande satellite di Saturno ed unico ad essere dotato di un’atmosfera ampiamente costituita da metano (https://ilblogdellasci.wordpress.com/2015/01/25/chimica-da-titano/ed per altri pianeti di tipo roccioso presenti nell’universo.

Marte infatti attualmente non è schermato come la Terra contro la radiazione ultravioletta (come è noto il nostro pianeta possiede lo schermo dello strato dell’ozono, non presente su Marte) e quindi può essere considerato un laboratorio per questo tipo di reazioni. Questi studi hanno permesso di stabilire due importanti aspetti: il ruolo catalitico del minerale anatasio (un minerale costituito da TiO2) e della montmorillonite (un silicato di formula (Na,Ca)0,33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2.n H2O), entrambi presenti su Marte, anche se al momento non è stata ancora determinata la loro quantità, ma anche sulla Terra. In particolare il biossido di titanio presente nell’anatasio svolge il ruolo di fotocatalizzatore ed un meccanismo di reazione attraverso il gliossale dimostrerebbe la contemporanea formazione in uguale quantità di CO e CH4 mentre per l’altro catalizzatore, non riscontrando la stessa quantità dei due gas, potrebbe intervenire un diverso meccanismo o un effetto dei radicali ossidrilici provenienti nell’acqua intrinsecamente in esso contenuta oppure una fotolisi del metano sulla sua superficie.

La montmorillonite è un minerale, un fillosilicato di alluminio e magnesio. Il nome deriva dalla località di Montmorillon, dipartimento della Vienne, in Francia, dove fu per la prima volta identificato.

Ma anche l’adsorbimento dell’acqua gioca un ruolo decisivo e spiegherebbe la stagionalità delle emissioni di metano che aumentano dalla primavera marziana fino alla fine dell’autunno. Altro aspetto fondamentale per questa ipotesi sintetica è il pH. In ambiente basico o neutro sulla superficie del minerale vengono legati degli ioni ossidrili (OH), mentre l’ambiente acido è in grado piuttosto di permettere l’adesione del biossido di carbonio e dell’acqua per cui la riduzione catalitica dei due minerali è indotta dall’acido cloridrico. L’acido cloridrico è effettivamente presente su Marte sul quale è attivo attualmente un ciclo del cloro proposto di recente da Catling et al. e confermato dalla presenza di ione perclorato5.

Questo modello pertanto oltre a spiegare l’attuale presenza di metano co-generato con il monossido di carbonio su Marte osservata da Curiosity, ha il pregio di interpretare la sua stagionalità. Inoltre può essere anche adattato alle condizioni iniziali della Terra. In questo caso è possibile anche dimostrare la formazione a partire da un’atmosfera riducente di CO2, N2, CH4 e CO di HCN, da cui, a seguito della sua polimerizzazione indotta dal bombardamento meteorico simulato dai laser, la formazioni delle nucleobasi del RNA (adenina, guanina, citosina e uracile) e del più semplice degli amminoacidi la glicina.

  • Webster, C. R. et al. Mars methane detection and variability at Gale crater. Science 347, 415–417 (2015).
  • Hu, R., Bloom, A. A., Gao, P., Miller, C. E. & Yung, Y. L. Hypotheses for near-surface exchange of methane on Mars. Astrobiology 16, 539–550 (2016).
  • Shkrob, I. A., et al. Photocatalytic decomposition of carboxylated molecules on light-exposed Martian regolith and its relation to methane production on Mars. Astrobiology 10, 425–436 (2010).
  • Civiš S. et al. The origin of methane and biomolecules from a CO2 cycle on terrestrial planets Nature Astronomy 1 721–726 (2017).
  • Catling, D. C. et al. Atmospheric origins of perchlorate on Mars and in the Atacama. Geophys. Res. Planets 115, E00E11 (2010).

Quando avremo la Gazzetta Chimica Italiana online?

In evidenza

Maurizio D’Auria

Nel 2013 (è passato un secolo) scrissi il primo post con lo stesso titolo. Dopo cinque anni mi sembra il caso di tirare le somme di quella iniziativa. In risposta al mio appello ho ricevuto diverse comunicazioni di apprezzamento da parte di colleghi e anche alcune telefonate che hanno cercato di spiegarmi le ragioni del ritardo con cui l’operazione Gazzetta in rete si trovava.

Dopo cinque anni possiamo ben dire che non si è mosso nulla. E’ bene notare che le riviste tedesche del settore sono tutte in rete nel sito Wiley-VCH; anche i Recueil des Travaux Chimique des Pays-Bas sono in rete sulla piattaforma Wiley, gli inglesi hanno in rete tutte le loro riviste, gli americani hanno messo in rete tutte le riviste dell’American Chemical Society (solo l’American Chemical Journal non è disponibile direttamente ma lo si può scaricare), i giapponesi hanno messo in rete tutte le loro riviste, i francesi, in compenso, sono quasi come noi (alcune riviste sono però scaricabili). Noi non abbiamo in rete nè la Gazzetta Chimica Italiana, nè gli Annali di Chimica, nè tantomeno i Rendiconti dell’Accademia dei Lincei. Bella prova.

Posso capire che ci siano problemi di fondi per fare questa operazione, ma, nell’ambito delle richieste possibili sui beni culturali, si potrebbero cercare fondi sia al ministero competente, così come sarebbe possibile cercare uno sponsor industriale. La motivazione, poi, che qualcuno mi ha dato, che l’operazione avrebbe significato dover distruggere una copia della rivista, per la necessità di distruggere la legatura per scannerizzarlo, la tecnica ha ormai superato il problema e per la scannerizzazione di libri antichi si può operare senza dover “slegare” il libro: costerà di più ma si può fare.

Perché nessuno se ne occupa?

 

(nota del blogmaster) Il primo numero si trova online grazie a Google http://books.google.it/books?id=5YQcD9OX0b0C&printsec=frontcover&hl=it#v=onepage&q&f=false

La storia della scoperta della fissione nucleare: i chimici risolvono un problema fisico. Seconda parte

In evidenza

Roberto Poeti

 la prima pare di questo post è stata pubblicata qui

Una scoperta che fece fare un passo in avanti

Per tre anni , dal 1934 al 1937 i laboratori di Parigi e Berlino continuarono le loro ricerche sui presunti elementi transuranici prodotti dal bombardamento neutronico dell’Uranio . Non ci furono rilevanti novità . L’impianto teorico su cui si fondavano le ricerche non fu messo in discussione . Nuovi risultati si ebbero solo nel 1937 quando il gruppo di Irene Curie identifica un nuovo radionuclide con t1/2 di 3.5 h , R 3,5h , tra quelli ottenuti nel bombardamento dell’Uranio. Da misure radiochimiche emerge che il radionuclide non era classificabile tra gli elementi transuranici e che si poteva trattare di un isotopo del Torio formato dall’Uranio per cattura di un neutrone e espulsione di una particella α. “ Il corpo R 3,5t non è stato osservato né da noi , né da Hahn , Meitner e Strassmann , prima di aver impiegato schermi che eliminassero l’interferenza provocata dalla presenza dei prodotti di decadimento dell’Uranio naturale , di cui uno era proprio il Torio“ (5). La notizia della scoperta raggiunge il gruppo di Berlino , che però non condivide le conclusioni di Parigi. Curie e Savitch continuano nei tentativi per la sua identificazione , escludono alla fine che si tratti del Torio . Per la sua separazione hanno impiegato come carrier Il Lantanio , inoltre le proprietà chimiche lo avvicinano alle terre rare . “In base alle sue proprietà chimiche , sembrerebbe che questo corpo non possa essere che un isotopo dell’Attinio [n.d.r: stesso gruppo del Lantanio] , o un nuovo corpo transuranico che possiede proprietà chimiche molto differenti da quelle degli omologhi superiori di Renio e Platino “ (6).

Un obbiettivo mancato

Nello stesso anno (ottobre 1938 ) Curie e Savitch inviano al Journal de Phisique et Radium un resoconto del loro lavoro , complesso e minuzioso , portato avanti per stabilire se il Radionuclide poteva essere un isotopo dell’Attinio . Seguendo il metodo introdotto da Maria Curie , eseguono una separazione per precipitazione frazionata di una soluzione contenente Lantanio e il radionuclide R 3,5h   , previa eliminazione di tutti gli altri elementi presenti , con l’aggiunta di un isotopo dell’elemento Attinio come tracciante . Le indagini radiochimiche mostravano la separazione dell’Attinio dal Radionuclide R 3,5h . Il Radionuclide rimaneva con il Lantanio . Quindi l’Attinio e il Radionuclide apparivano elementi diversi. La cosa sorprendente è un’altra successiva esperienza , che riporta l’articolo , sulla separazione compiuta su Lantanio e Il Radionuclide . Ma lo scopo non è quello di verificare la separabilità dei due elementi , intenzione di cui non fanno alcun cenno , quanto quello di confermare che Attinio e Radionuclide R 3,5t sono diversi ! “ Una esperienza di precipitazione incompleta [ sottilineatura mia] con l’ammoniaca di La + R 3,5h indica anche che R 3,5h si concentra nella prima porzione precipitata , sarebbe quindi meno basico [ n.d.r.: più insolubile ] del Lantanio. Mentre sappiamo che l ‘ Attinio è più basico del Lantanio . Pare dunque certo che R 3,5h non è un isotopo dell’ Attinio “ .

La scoperta rientra nel paradigma dominante

Una separazione incompleta , in matrici considerate molto complesse , poteva avere diverse cause, e sarebbe stato necessario indagare ancora , ma non si procede a nessun ulteriore controllo, perché ? . ( Sappiamo che l’Uranio , nel bombardamento neutronico , ha subito una scissione , si sono formati radionuclidi a numero atomico molto più basso . Tra questi si trova anche un isotopo del Lantanio . Perciò R 3,5h , in realtà , è un isotopo del Lantanio, chimicamente indistinguibile , perciò non sono separabili con una cristallizzazione frazionata). Ancorati al concetto che l’Uranio si può modificare, dopo irraggiamento neutronico , formando elementi transuranici attraverso il decadimento β , Curie e Savitch arrivano alla conclusione , dopo aver scartato l’ipotesi dell’Attinio , che anche il radionuclide R 3,5h   deve essere un elemento transuranico . E nel tentativo di inserirlo in quella regione della tavola periodica , pur avendo proprietà chimiche diverse, fanno l’ipotesi che il nuovo elemento transuranico possa avere gusci di valenza variabili . Questa e altre ipotesi appaiono poco plausibili (7) . I due fisici , che primeggiano nel campo della fisica nucleare e della radiochimica, non trovano la soluzione corretta che è a portata di mano perché non la cercano . Non escono dal paradigma dominante.

Nell’articolo del Journal de Phisique et Radium sono rappresentati gli ultimi tre periodi della T.V . L’Actinio compare nel gruppo delle terre rare e gli elementi transuranici sono disposti sotto il Renio e i metalli del gruppo del Platino

Ci provano i chimici Hahn e Strassmann

Questi limiti , vedremo , sono superati dal gruppo di Berlino dove lavorano i chimici Hahn e Strassmann (l’altro componente, la fisica Meitner , è dovuta riparare all’estero perché ebrea, ma , sempre in contatto con Berlino , fornì un aiuto importante ) . Venuti a conoscenza dei risultati del gruppo di Parigi , Hahn e Strassmann si apprestano subito a verificare i risultati . Nella sua Nobel Lecture, (1946) Hahn , rispetto alle ipotesi chimiche su gusci di valenza variabili e altro , fatte dal gruppo di Parigi , afferma che “ le possibilità presentate da loro appaiono difficili da capire e inaccettabili“. La natura di elemento transuranico appare al gruppo di Berlino poco comprensibile . Da qui la spinta a rifare gli esperimenti. Dopo che i presunti   elementi transuranici , derivati dal bombardamento neutronico dell’Uranio , erano stati precipitati e rimossi , la soluzione conteneva ancora qualche prodotto radioattivo . Impiegano , nella separazione di quest’ultimi prodotti , diversi elementi carrier tra cui il Bario . La scelta di questo elemento non è casuale , infatti una delle ipotesi che fanno è la possibile presenza , tra i prodotti , di isotopi del Radio ( precede l’Attinio nella T.P.) . Il Bario è un elemento dello stesso gruppo del Radio , quindi idoneo a fare da carrier .

Alla fine del lungo lavoro di separazione concludono che l’attività dell’isotopo R 3,5h di Curie e Savitch era probabilmente un miscuglio di diversi elementi attivi e che quelli che seguivano il Bario , come carrier , nella precipitazione potevano essere soltanto isotopi del Radio .

Due chimici che escono dagli schemi

La presenza del Radio poteva essere dovuta ad una serie di decadimenti dell’Uranio che portavano all’ Attinio , passando da Torio e Radio .

E’ una ipotesi che presuppone l’emissione di due particelle α. L’emissione di due particelle α da parte di un atomo pesante con neutroni lenti era considerata tuttavia molto improbabile , se si pensa che nei numerosi esperimenti fatti con l’uranio non era stata mai osservata nemmeno una sola emissione α . E’ importante constatare come Hahn e Stassmann , raggiungono questo loro risultato “ liberandosi “ di due modelli fisici del nucleo : il primo riguarda la emissione di particelle α , l’altro la formazione di nuclei a numero atomico maggiore dell’Uranio . Continuano con i loro esperimenti e sono capaci di distinguere almeno quattro distinti isotopi del “ Radio “ prodotti artificialmente dall’Uranio . Per ottenere una verifica più accurata dei loro risultati procedono alla separazione per cristallizzazione frazionata dell’elemento carrier Bario dagli isotopi del “Radio “, in modo da ottenere strati più sottili di materiale , così che la loro attività poteva essere misurata più facilmente . Ma i tentativi per separare il ” Radio “ falliscono (Vedi schema sotto).

Esempio di sequenza delle operazioni con l’elemento Bario come carrier :

1) Bombardamento con neutroni 2) Solubilizzazione dei prodotti 3) Aggiunta dell’elemento carrier (Bario) 4) Precipitazione del “Radio” con Bario come carrier 5) Solubilizzazione 6) Il “ Radio” non si separa dal carrier con la cristallizzazione frazionata

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La perseveranza dei due chimici

Hahn e Strassmann pensano che la causa potesse dipendere dalle piccolissime quantità di isotopi del “Radio” presenti nel campione così continuano a indagare :

Abbiamo mescolato uno dei nostri isotopi, presunto “Radio “artificiale , con un isotopo naturale noto di radio e poi abbiamo cercato di separare la miscela dal bario con il frazionamento come prima. Gli esperimenti e i loro risultati sono stati piuttosto complicati, e non cercherò di descrivere qui in dettaglio. Ma i risultati sono stati abbastanza chiari. In ogni caso , in accordo con le misure di radioattività , la maggior parte del radium naturale , nella miscela , veniva separato , ma il “Radio” artificiale seguiva il Bario in toto . In breve , il nostro “ Radio “ artificiale non poteva essere separato dal Bario per la semplice ragione che era Bario ! “(8) .

A ulteriore conferma identificano un prodotto del decadimento β di uno degli isotopi artificiali del “Radio “ che risulta essere il Lantanio ( era stato trovato dal gruppo di Parigi !) , dimostrando che il parente da cui proviene non può che essere il Bario , che lo precede nella T.P. .

Non hanno dubbi sui risultati raggiunti , ma procedono con cautela :

I nostri tentennamenti derivavano principalmente dal fatto che, come chimici, abbiamo esitato ad annunciare una scoperta rivoluzionaria in fisica”(8).

Una bella prova sperimentale

C’è ancora una bella prova sperimentale definitiva e senza ambiguità che Hahn e Strassmann forniscono :

“Allo scopo di essere certi , abbiamo effettuato il così detto “ciclo” del Bario. Il più stabile degli isotopi attivi , ora identificato come Bario , fu liberato dai prodotti attivi del suo decadimento e altre impurità con la ricristallizzazione con Bario inattivo [ndr :carrier] ; un quarto della quantità totale fu conservata per il confronto e tre quarti vennero sottoposti alle seguenti precipitazioni nel ciclo del Bario :

Ba-chloride ® Ba-succinate ® Ba-nitrate ® Ba-carbonate ® Ba-ferrimannite ® Ba-chloride .

Dopo aver passato attraverso questa serie di composti , molti dei quali cristallizzati in modo magnifico , l’attività del cloruro di Bario risultante e la preparazione per il confronto erano misurati alternativamente usando lo stesso contatore, con uguale peso e spessore dello strato . L’iniziale attività e l’incremento , come risultato della ulteriore formazione del Lantanio attivo, erano gli stessi per entrambi i campioni , entro i limiti dell’errore : la cristallizzazione di così tanti e differenti sali non ha prodotto una separazione del Bario attivo dal carrier [ ndr : Bario inattivo ] . Si può solo concludere che il prodotto attivo e il carrier erano chimicamente identici cioè Bario “ (8).

Fu un lavoro quasi impossibile

Il nostro racconto termina qui con la scoperta del primo frammento della fissione nucleare , l’atomo di Bario . Ma quanti sono gli isotopi dei vari nuclei che si formavano negli esperimenti di fissione nucleare , che per quattro , cinque anni furono portati avanti prima da Fermi e poi , principalmente , dai gruppi di Parigi e di Berlino ? Hahn scrive nella Nobel Lecture, 1946 :

“ All’inizio del 1945 siamo stati capaci di fare una tabella nella quale erano raccolti , come prodotti diretti e indiretti della fissione dell’Uranio , venticinque differenti elementi sotto forma di circa cento tipi di atomi attivi ( n.d.r. : loro isotopi ). Gli atomi attivi , che abbiamo creduto fino al 1939 elementi transuranici , erano tutti prodotti di fissione o loro successivi prodotti , e non elementi con numero atomico più alto rispetto all’Uranio ! ” (8).

L’opinione di Lise Meitner

Lise Meitner , la fisica che dovette lasciare il gruppo di Berlino nella parte più critica del lavoro, continuò la collaborazione con Hahn e Strassmann , dando un contributo molto importante . Né lei , né Strassmann condivisero il premio Nobel con Hahn . Molti pensano che entrambi avrebbero dovuto ricevere il premio.

Tuttavia i suoi rapporti con Hahn rimasero sempre improntati a grande amicizia . Riporto l’opinione che espresse , anni dopo la scoperta della fissione , sul lavoro fatto dai due chimici :

“Otto Hahn e Fritz Strassmann furono in grado di scoprire la fissione nucleare perché usarono una chimica eccezionale , una chimica incredibilmente avanzata , che era molto più avanti di quanto fosse possibile in quel momento . Gli Stati Uniti appresero ad usarla molto più tardi . Però in quel momento , nel 1938 , Hahn e Strassmann erano gli unici che potevano farlo , perché erano ottimi chimici “

Conclusione

 Fu una impresa quasi impossibile riuscire , da quel paniere di atomi differenti o per numero atomico o per numero di neutroni, con attività diversa per ciascuno , che variava continuamente nel tempo e partendo da ipotesi fuorvianti , a scoprire il fenomeno della fissione nucleare .

(Nota del postmaster: altri post in cui si dicute questo argomento:

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2015/08/04/era-bario-davvero/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/11/20/scienziate-che-avrebbero-dovuto-vincere-il-premio-nobel-lise-meitner-1878-1968/)

 

Bibliografia completa

 

  1. The Nuclear Fission Table in the Deutsches Museum: A Special Piece of Science History on the Eve of World   War II , di Susanne Rehn-Taube
  2. La fisica e il suo divenire. Sull’esperienza storica della conoscenza fisica , di Fritz Krafft
  3. The detours leading to the discovery of nuclear fission, di Kurt Starke J.C.E. 1979 , Dic
  4. The Transuranium Elements   , Glenn T. J.C.E. Seaborg J.C.E , 1985
  5. Irena Curie et Paul Savitch. de Phys. et Rad., 1937 , 7 , 385
  6. Irene Curie et Paul Savitch , R., 1938 , 206 , 906
  7. Irene Curie et Paul Savitch , de Phys. et Radium ., 1938 , 9, 355
  8. From the natural transmutations of uranium to its artificial fission , Otto Hahn , Nobel Lecture,

La storia della scoperta della fissione nucleare : i chimici risolvono un problema fisico . Prima parte

In evidenza

Roberto Poeti

 Un “tavolo particolare” al Deutsches Museum di Monaco di Baviera

Una visita al Deutsches Museum riserva tante sorprese nel campo della scienza e della tecnologia . Ma una in particolare lascia a bocca aperta. Nel settore “ Fisica “ del Museo , un vecchio tavolo di legno attira l’attenzione (Fig1). E’ ingombro di materiale elettrico come prese e interruttori in bachelite , vecchi condensatori , amplificatori , batterie , valvole ecc.. e una rete di fili che li collegano . Nel piano inferiore sono alloggiate una serie di batterie . Potrebbe essere il banco di un elettricista prima dell’avvento dei transistor , se non fosse per uno strano cilindro di colore giallognolo e di materiale translucido poggiato ad un lato del tavolo , sembra una torta (Fig 2). Cosa rappresenta il tavolo ? E’ l’originale attrezzatura che usò Otto Hahn, premio Nobel per la Chimica , che insieme a Lise Meitner and Fritz Strassmann scoprirono la fissione dell’uranio nel 1938 (Fig3).

Figura 1

Il piano del tavolo con l’attrezzatura e sotto il piano inferiore dove sono alloggiate le batterie . A destra , del tavolo , di fronte , accanto al quaderno degli appunti , due contatori Geiger e Muller .

Figura 2

Particolare del tavolo

Nell’angolo in alto a destra del tavolo il cilindro , simile ad una torta, è il cuore del sistema. E’ costituito da paraffina e al centro , in una incavatura , è contenuto la sorgente di neutroni costituita da Be/Ra. A lato , sempre immerso nella paraffina , si trova il campione di uranio.

Figura 3

A sinistra Fritz Strassmann (1902–1980), al centro Otto Hahn (1879–1968) che illustra gli strumenti del tavolo ( 1962)

Si ritiene che il tavolo e molti strumenti siano autentici , compreso il cilindro di paraffina . E’ fonte di stupore per i visitatori del museo vedere come la più grande scoperta del ventesimo secolo , la fissione nucleare , che ha segnato la nascita di una nuova era , possa essere contenuta in un tavolo di elettricista . Il tavolo è considerato “ il capolavoro “ della collezione del museo (1) . Va tuttavia precisato che il lavoro completo si svolgeva in tre distinti luoghi : in una stanza avveniva l’irradiazione del campione di uranio con la sorgente di neutroni , in una seconda stanza era allestito il laboratorio di Chimica e in una terza veniva misurata la radioattività dei prodotti . La scoperta della fissione dell’atomo venne attribuita ad Otto Hann , al quale fu conferito il premio Nobel nel 1944 . Una targa commemorativa sulla parete accanto al “ tavolo“ ricorda che la scoperta è condivisa con Lise Meitner e Fritz Straßmann , la prima un fisico e il secondo un chimico .

La percezione del ruolo della chimica

Il paradosso della scoperta della fissione è che , mentre ufficialmente il Nobel fu assegnato ad un chimico , non viene percepita a livello culturale come un obbiettivo raggiunto dalla Chimica . E forse non si conosce neppure in cosa consista il contributo dato dai chimici che vi lavorarono .

La beuta caudata con imbuto Buchner , che si vede accanto al blocco di paraffina nella figura 2 , è il solo richiamo ad una operazione chimica , messa come simbolo . Insomma il “tavolo “ è un oggetto fortemente evocativo , tuttavia non aiuta a comprendere il peso che vi ebbe la scienza chimica.

La Chimica fu fondamentale per Maria Curie

Nel suo libro “ La Fisica e il suo divenire “ Fritz Krafft , storico della scienza, titola un capitolo “ I chimici risolsero un problema fisico . Per una storia della scoperta della fissione nucleare “ (2) . Il titolo centra il nocciolo del problema : senza gli strumenti della Chimica non si sarebbe arrivati al traguardo . Non c’è stato gruppo di ricerca nella storia della radioattività che non abbia visto la partecipazione decisiva diretta o indiretta dei chimici , a partire dalle scoperte degli elementi Radio e Polonio da parte di Maria Curie. La stessa scienziata aveva seguito a Varsavia , prima di venire a Parigi , dei corsi non ufficiali di laboratorio di Chimica presso il Laboratorio del Museum of Industry and Agriculture . Ricordiamo che la Polonia era sotto la dominazione della Russia zarista e l’educazione scientifica era preclusa alle donne . Il direttore del museo, cugino di Maria Curie , era il chimico Josef Boguska, educato a San Pietroburgo sotto Dmitrij Mendeleev di cui era stato poi assistente : “ Sviluppai la mia passione per la ricerca sperimentale durante queste prime prove” , scriverà in seguito la scienziata .

Gustave Bemont , a sinistra della foto, con i coniugi Curie

Durante le sue ricerche sul Polonio e il Radio ebbe come collaboratore un chimico , presto passato in secondo piano , Gustave Bémont ( 1857 – 1937 ) professore all’ École de Physique et Chimie di Parigi. Nel primo numero della rivista Radium appare accanto ai coniugi Curie . L’altro chimico che collaborò con Maria Curie dopo la morte del marito è stato André Debierne (1874-1945) scopritore del l’Attinio . Ma vedremo, più avanti , come la presenza dei chimici si confermerà determinate anche nella scoperta della fissione nucleare .

La scoperta del Neutrone

 La scoperta del neutrone, avvenuta nel 1932 per opera di James Chadwick , determina la nascita di linee di ricerca volte a utilizzare le nuove particelle come proiettili per modificare gli atomi. In realtà già Rutherford nel 1919 , usando particelle α , aveva ottenuto la prima trasmutazione artificiale dell’atomo , a cui però sfuggivano gli atomi degli elementi più pesanti per la repulsione esercitata dalla loro grossa carica positiva sulle particelle α . Si deve a Fermi l’uso dei neutroni e la scoperta della loro efficacia se venivano fatti passare attraverso un mezzo che ne rallentasse la velocità . Da tali programmi si arriva  alla fine a scoprire la fissione nucleare ( 1938 ) .

I protagonisti della scoperta della Fissione Nucleare

 Alla scoperta in se parteciparono solamente tre gruppi di ricerca. Tutti gli altri gruppi di ricerca si erano prevalentemente accontentati della riproduzione e conferma dei risultati ottenuti in rapida sequenza dalle piccole équipes attive a Roma , Parigi e Berlino . Per poter arrivare a comprendere la fissione nucleare occorreva , oltre che alla padronanza dei metodi radio-chimici, una eccezionale abilità analitica e conoscenze chimico–analitiche notevoli , capaci di fornire la spinta decisiva . Il fatto che questi requisiti fossero ben presenti nel gruppo berlinese , specie nella persona di Fritz Strassmann, costituisce una delle ragioni del perché la scoperta poté essere fatta a Berlino e non a Roma o Parigi. In effetti al gruppo romano solo nel 1934 e per breve tempo appartenne un chimico , Oscar D’Agostino, che in precedenza si era familiarizzato a Parigi con i metodi radiochimici . Irène Curie , del laboratorio di Parigi , pur essendo anche lei una fisica , possedeva notevoli esperienze nel campo dei metodi radiochimici messi a punto dai suoi genitori e aveva lavorato nel 1937-38 con il fisico chimico Pavel Savič , tuttavia mancava di profonde conoscenze analitiche . La peculiare composizione però dell’équipe di Berlino , che comprendeva una fisica nucleare , Lise Meitner , un radio chimico , Otto Hann e un chimico analitico , Fritz Strassmann , costituì chiaramente un presupposto della scoperta , giacché garantiva la  «presenza » di tutte quelle conoscenze e abilità che si rivelarono più tardi necessarie .

Anni dopo Enrico Fermi dichiarava che ciò che gli era mancato per raggiungere l’obbiettivo della scoperta della fissione nucleare erano state le conoscenze e competenze dei chimici (3). Troppo tardi e per breve tempo aveva cercato di colmare il vuoto aggiungendo al gruppo un valido chimico come D’Agostino . Nel suo gruppo il rapporto chimici /fisici era di 1 a 5 , in quello di Berlino era 2 a 1 .

Gli ostacoli interni alla Chimica

Alle già complesse operazioni di laboratorio volte a separare e identificare i radio nuclidi derivanti dal bombardamento dell’uranio con neutroni lenti si opponevano grossi ostacoli di natura interna alle discipline di Chimica e Fisica . Per comprendere intanto quelle inerenti alla chimica è necessario tenere presente la tavola periodica come si presentava fino agli anni 1940 .

Allora si era convinti che le configurazioni basate su orbitali f fossero limitate ai solo lantanidi . Non era stato identificato alcun elemento più pesante dell’uranio e le proprietà degli elementi noti più pesanti (Ac , Th , Pa, U ) sembravano rassomigliare a quelle dei metalli di transizione di tipi d dei gruppi III b – VI b ( La , Hf ,Ta, W, Re ) della tavola periodica in modo sufficiente da permettere la classificazione in tali gruppi . Per comprendere quanto fosse radicata questa impostazione che, a parte l’introduzione dei gas nobili e lantanidi, aveva ancora l’impianto della tavola di Mendeleev del 1872 , c’è un episodio che ci racconta Glenn T. Seaborg ( Premio Nobel per la Chimica 1951 ) . Dopo aver dato alla tavola periodica un nuovo arrangiamento ( 1944 ) con l’introduzione della serie degli attinidi e quindi la collocazione corretta degli elementi transuranici , Seaborg decide di pubblicare la scoperta in Chemical and Engineering News . Ma prima mostra  l’articolo ai suoi colleghi :

« They said, “Don’t do it, you’ll ruin your scientific reputation.” I had a great advantage. I didn’t have any scientific reputation at that time, so I went ahead and published it. » (4).

Quanta inerzia culturale ci fosse nelI’ accettare la nuova tavola periodica , ancora nel 1961 , dopo sedici anni dalla scoperta degli Attinidi , lo dimostra La Grande Enciclopedia Italiana della U.T.E.T. , appena pubblicata, che conteneva la Tavola Periodica degli anni trenta ( Fig 4). E per finire , il primo libro di testo di Chimica del biennio, adottato dall’I.T.I.S. di Arezzo, alla sua nascita nel 1960 , proponeva sempre la Tavola Periodica degli anni trenta (Fig5).

Tavola periodica presente nel

Grande Dizionario Enciclopedico “ UTET

pubblicato nel 1961

Figura 4

Tavola periodica nel testo di Chimica per il biennio dell’I.T.I.S. di Arezzo del 1960

Figura 5

Gli ostacoli interni alla Fisica

Nel versante della fisica veniva negata la possibilità che bombardando nuclei pesanti , come l’Uranio , con neutroni vi fosse la possibilità di ottenere la frammentazione del nucleo . In tutti i processi nucleari , fino ad allora osservati sugli elementi più leggeri , il numero atomico era cambiato al massimo di due unità . La sola persona che sostenne la possibilità della frammentazione del nucleo di elementi pesanti fu la chimica e fisica Ida Noddack scopritrice del Renio . Il suo articolo del 1934 , nel quale sosteneva questo punto di vista , fu praticamente ignorato dai fisici nucleari . Poiché i prodotti ottenuti da Fermi , bombardando l’ Uranio , emettevano particelle beta ( non era stata osservata nessuna emissione alfa), lui e i suoi colleghi fecero l’ipotesi plausibile che la trasmutazione produceva isotopi di Uranio a vita breve , che poi, per decadimento β, davano origine a elementi con numero atomico superiore rispetto all’uranio, l’elemento 93 e forse anche 94 ( L’emissione di una particella β comporta l’aumento del numero atomico di una unità , mentre con l’emissione alfa il numero atomico decresce di due unità ) . In una serie di articoli pubblicati tra il 1935 il 1938 Fermi riportava la scoperta di elementi transuranici che venivano chiamati eka-renio , eka – osmio , eka – iridio e eka – platino ( numero atomico 93,94,95,96) .

Quando Fermi ricevette il Premio Nobel nel 1938 venne citato soprattutto per la scoperta degli elementi transuranici!. Rimaneva tuttavia non risolta l’identificazione chimica dei supposti elementi transuranici .

Una ricerca complessa

Mentre il gruppo di Fermi si disperdeva nel 1935 , continuava a Parigi e Berlino la ricerca degli elementi transuranici . Le notevoli difficoltà analitiche che si incontravano nella separazione e identificazione dei radionuclidi provenienti dal bombardamento dell’Uranio con neutroni erano amplificate dalla ipotesi che si ottenessero solo prodotti transuranici . Il bombardamento dell’Uranio produceva una quantità rilevante di differenti radionuclidi e loro isotopi , spesso con rapido decadimento . Le minime quantità che si ottenevano erano rilevabili solo con metodi radiochimici , misurandone la loro attività specifica . L’elemento naturale Uranio , che veniva utilizzato, doveva essere da prima separato dai prodotti della sua stessa radioattività , in particolare un isotopo del Torio . Un operazione complessa senza la quale si sarebbero avute interferenze quando veniva misurata la radioattività dei prodotti ottenuti con il bombardamento neutronico . La separazione e identificazione di questi radionuclidi , ottenuti poi in soluzione , era il vero scoglio da affrontare. Ma quale era il criterio principale di separazione e identificazione su cui si faceva affidamento?.

L’ uso degli elementi Carrier nella separazione dei radionuclidi

Poiché i radioisotopi erano presenti spesso in tracce , per poterli separare , si procedeva con metodi che non potevano essere equiparati con le ordinarie separazioni di quantità pesabili degli elementi stabili. Le tracce di radioisotopi di differenti elementi , spesso con decadimento rapido , potevano essere separati gli uni dagli altri e precipitati con l’aiuto di un elemento carrier . Se in chimica analitica la coprecipitazione è quasi sempre indesiderabile, nell’analisi di tracce di elementi , come in radiochimica , era spesso il solo mezzo di separazione di un elemento. Si doveva scegliere come carrier un metallo che si riteneva potesse essere vicino , nel gruppo o nel periodo , al radionuclide da isolare, avente perciò la stessa carica e solo una piccola differenza nel raggio ionico di quest’ultimo . In questo modo gli ioni del radionuclide avrebbe occupato , sotto forma di inclusione , i siti nella struttura cristallina del composto del carrier , quando questi precipitava dalla soluzione . Ma ci voleva un radiochimico di grande esperienza per distinguere tra un precipitato , sul quale i pochi ioni radioattivi erano assorbiti sulla superfice del cristallo in modo aspecifico , e quello nel quale essi erano parte della struttura cristallina . Solo con la coprecipitazione per inclusione si avevano importanti informazioni sul numero atomico del radionuclide , conoscendo quello dell’elemento usato come carrier . Il passo successivo era quello di separare il radionuclide dal metallo carrier, sfruttando piccole differenze nella solubilità dei loro sali , mediante cristallizzazione frazionata , un processo che richiedeva molto tempo (4) . La scelta dei carrier , nella nostra storia , venne fatta supponendo di ottenere elementi transuranici nel bombardamento dell’uranio e che questi fossero inquadrati nella tavola periodica come elementi di transizione sotto Renio , Osmio , Iridio , Platino . I metalli usati come carrier erano perciò scelti tra questi , e precipitati prevalentemente come solfuri. La coprecipitazione che si otteneva era però aspecifica , spesso per adsorbimento , perché si partiva dalla errata convinzione che si formassero elementi transuranici . Si ottenevano così informazioni fuorvianti sulla identità dei radionuclidi . Questo comportò un lavoro infruttuoso per molto tempo che servì , malgrado tutto , a migliorare le tecniche radiochimiche e analitiche.

( continua nella seconda parte )

Nota del blogmanager: sul medesimo argomento il blog ha pubblicato altri articoli fra cui:

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/11/20/scienziate-che-avrebbero-dovuto-vincere-il-premio-nobel-lise-meitner-1878-1968/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/11/06/scienziate-che-avrebbero-dovuto-vincere-il-premio-nobel-ida-noddack-1896-1978/

Bibliografia

  1. The Nuclear Fission Table in the Deutsches Museum: A Special Piece of Science History on the Eve of World   War

               War II , di Susanne Rehn-Taube

  1. La fisica e il suo divenire. Sull’esperienza storica della conoscenza fisica , di Fritz Krafft
  2. The detours leading to the discovery of nuclear fission, di Kurt Starke J.C.E. 1979 , Dic
  3. The Transuranium Elements   , Glenn T. J.C.E. Seaborg J.C.E , 1985

Salute, ambiente e competitività: il ruolo della chimica.

In evidenza

Fabrizio Demattè*

Documento preparatorio convegno REACH2018 a cura dell’Ordine Regionale dei Chimici del Trentino Alto Adige.

L’Ordine Regionale dei Chimici del Trentino Alto Adige – Südtirol organizzerà venerdì 22 giugno 2018 presso il MUSE a Trento un convegno riguardante i regolamenti REACH e CLP. Nostro scopo è portare all’attenzione del tessuto economico e sociale le novità volute dalla Comunità economica europea in tema di sostanze chimiche, ed in particolare quelle pericolose.

Abbiamo scelto come immagine un dodicenne (perché questo è il tempo trascorso dalla prima emanazione del REACH) il quale maneggia con destrezza i pittogrammi (CLP) che rappresentano graficamente la pericolosità delle sostanze chimiche interessate dal regolamento.

Molti “portatori di interesse” contattati in mesi di preparazione (mondo produttivo, istituzionale, sociale e assicurativo) hanno risposto positivamente all’iniziativa riconoscendo lo studio della pericolosità dei chemicals, la loro valutazione e comunicazione una cosa non soltanto da chimici bensì una questione di pubblica.

REACH e CLP sono due regolamenti europei di fondamentale importanza (Reg. 1907/2006 e Reg.1272/2008) adottati per migliorare la protezione della salute dell’uomo e dell’ambiente dai rischi delle sostanze chimiche ed è rivolto non solo a quelle utilizzate nei processi industriali, ma anche a quelle presenti, nei detergenti, nelle vernici, nei giocattoli, negli abiti, nei mobili, in campo elettronico, cioè nel quotidiano. Ben narrato dalle grafiche di questo sito. https://chemicalsinourlife.echa.europa.eu

Bisfenolo A, noto interferente endocrino utilizzato negli scontrini del bar ed in passato nelle tettarelle dei lattanti, sostanze utilizzate per trattare e tingere i nostri vestiti, pigmenti utilizzati nei tatuaggi, sostanze utilizzate per chiarificare le nostre acque potabili, arsenico nei vetri di Murano, e formaldeide ceduta da alcuni contenitori per alimenti, sono alcuni dei temi di cui discuteremo sicuri della loro importante ricaduta nel nostro quotidiano.

Tali regolamenti impongono a tutto il sistema produttivo europeo uno studio circa la pericolosità o non pericolosità delle sostanze utilizzate in funzione dell’utilizzo che poi ne verrà fatto e si propongono come strumento per stimolare la competitività e l’innovazione: secondo il legislatore europeo sarà il mercato stesso a mettere al bando le sostanze più pericolose.

“No data no market” è il titolo dell’articolo 5 del REACH, ad una lettura superficiale può sembrare un semplice slogan ma è invece una scelta precisa ed elemento di forza innovatrice di REACH. Come “data” si intendono i dati sulle sostanze in circolazione, che devono essere prodotti con studi ad hoc e pagati non più dalle istituzioni ma da chi pone la sostanza sul mercato. Secondo gli scenari del legislatore il controllo delle sostanze pericolose sarà dettato dal mercato stesso che sta già naturalmente andando verso prodotti più salubri all’aumentare della consapevolezza.

In questi 12 anni di applicazione la normativa di prodotto REACH ha delineato quattro importanti nodi da sciogliere:

  1. Chi produce le sostanze industrialmente è già attivo nel loro studio e nella registrazione delle stesse fin dal 2007, ma il mondo delle piccole o micro imprese che acquistano sostanze e le mescolano è ancora lontano sia dall’utilizzare le informazioni che le prime mettono a disposizione e dall’applicare in conseguenza REACH e CLP.
  2. Chi commercia i beni non è ancora bene informato circa le opportunità offerte e circa gli obblighi e le sanzioni della normativa. Sottovalutando perlopiù questo aspetto questo settore si è assunto, inconsapevolmente, un rischio di “no market” ovvero il blocco del mercato per articoli non conformi.
  3. I consumatori hanno il diritto di conoscere, se presenti negli oggetti che stanno acquistando, il contenuto in sostanze particolarmente preoccupanti (SVHC). Ma ancora non sono consapevoli di questo importante strumento.
  4. Intercettare alla fonte sostanze che si rivelano essere pericolose permetterebbe di evitarne la loro diffusione in ambiente. l’ambito di tutela ambientale scaturito dal REACH è ancora molto poco sviluppato e la stessa norma sociale di tutela dell’ambiente non ha recepito i molteplici cambiamenti linguistici di REACH e CLP.

Per questo il 22 giugno a Trento, presso MUSE “luogo dove la scienza incontra l’umanità”, l’Ordine regionale dei chimici TAA ha organizzato un convegno con una ventina di relatori che scambieranno e forniranno informazioni sulla applicazione della nuova disciplina della chimica in Europa

La cura delle malattie scaturisce dall’evidenza contingente mentre l’investimento in prevenzione parte dalla lungimiranza di amministratori saggi.

Come il ragazzino dell’immagine maneggia con destrezza i pericoli guardando con ottimismo al futuro, condividiamo questo momento con chiunque vorrà partecipare all’evento, registrandosi sul sito www.chimicitaa.org. Iscrizione obbligatoria, (gratuita per i cittadini 20€ per professionisti.)

Evento in Facebook https://www.facebook.com/events/242691492947295/

  • Fabrizio Demattè, chimico, professionista ed iscritto alla SCI, si occupa da sempre dei temi del REACH, coordinando l’attività relativa dell’Ordine Regionale Chimici TAA.

L’impatto dell’umanità sulla biosfera.

In evidenza

Claudio Della Volpe

In un recente articolo su PNAS (www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1711842115) alcuni ricercatori israeliani ed americani hanno stimato la biomassa globale ed anche l’impatto che l’umanità ha avuto su di essa.

L’argomento è certamente di interesse per i fini del nostro blog, per comprendere la portata dell’Antropocene. Ne facciamo un breve e parziale riassunto; tenete presente che l’articolo è fatto di due parti, una è l’articolo vero e proprio e l’altra è un supplemento molto esteso con tutte le stime dettagliate e i ragionamenti e le incertezze sui numeri ottenuti. Entrambe sono scaricabili senza problemi dato che la rivista è Open access.

La massa totale di tutti i tipi di esseri viventi appartenenti a tutti i taxa è stimata in 550 miliardi di ton equivalenti di carbonio (550GtC); ricordo per i lettori meno documentati che questo equivale a dire che la massa è stimata con riferimento alla sola massa del carbonio presente nelle varie specie mentre gli altri elementi variano da caso a caso; dunque il totale effettivo è ben superiore; la stima si può fare in questi termini a causa del fatto che il rapporto fra carbonio ed altri elementi è ampiamente costante nei vari casi.

L’80% di questo totale è costituito dalle piante, dai produttori primari che fanno la fotosintesi; a loro volta le piante sono dominate dalle piante terrestri, che hanno occupato la terra anche grazie all’avvento della difesa anti-UV costituita dall’ozono, a sua volta disceso dalla produzione di ossigeno.

Ricordo che questo elemento si è accumulato come rifiuto a partire da 2.5 miliardi di anni fa portando alla cosiddetta catastrofe dell’ossigeno, con espulsione dal ciclo della gran parte degli organismi anaerobi, rifugiatisi in poche zone povere di ossigeno (fondali marini, intestini degli animali, etc); questo portò all’accumulo di ozono e alla protezione della terra dagli UV che consentì poi la grande esplosione della vita del Cambriano di circa 530 milioni di anni fa sulla crosta.

Quello che vediamo ogni giorno sulla crosta è figlio della catastrofe dell’ossigeno.

Il secondo costituente della biomassa sono i batteri, circa 70GtC e circa il 15% del totale.

In ordine di importanza quantitativa seguono funghi, archaea (antichi batteri), protisti, animali e virus, che coprono il rimanente, inferiore al 10%.

Le biomassa che vive sopra il suolo costituisce il 60% del totale 320GtC (merito dell’ozono stratosferico!!), mentre le radici (130GtC) e i microbi del suolo e nelle superfici profonde (100GtC) costituiscono il grosso del rimanente.

La biomassa delle piante include per il 70% steli e tronchi degli alberi che sono per la maggior parte legno inerte. I batteri sono il 90% della biomassa profonda, sotto la superficie (aquiferi e fondo marino) con un metabolismo lento. Anche escludendo questi contributi comunque la biomassa globale rimane dominata dalle piante (150GtC di radici e foglie, 9GtC di batteri marini e terrestri e 12 GtC di funghi.

D’altra parte gli insetti dominano in termini di ricchezza di specie (circa 1 milione già descritte) mentre la loro biomassa è piccola. Alcune specie contribuiscono alla biomassa più di intere famiglie e classi.

Per esempio il krill antartico Euphausia superba contribuisce per 0.05GtC in modo comparabile a uomini e mucche. Stesso discorso per le termiti che così sorpassano tutti gli uccelli.

da Internazionale, n. 1257

Durante il relativamente breve percorso dell’umanità nella storia della Terra, innovazioni come la domesticazione degli animali, l’agricoltura e la rivoluzione industriale hanno accresciuto la popolazione umana con effetti ecologici molto pronunciati. Oggi la biomassa umana è 0.06GtC e quella degli animali domestici 0.1 GtC. In confronto i mammiferi selvatici sono solo 0.007GtC. Anche per gli uccelli quelli domestici sono circa tre volte più di quelli selvatici (0.005GtC a 0.002).

Di fatto gli uomini ed i loro animali superano tutti gli altri vertebrati esclusi i pesci. Ovviamente essi costituiscono solo una piccola frazione degli animali in complesso, che comprendono prima di tutto artropodi (1GtC) e pesci (0.7GtC)

Impressionante anche il paragone fra la biomassa attuale e quella preumana che dimostra l’impatto umano sulla biosfera.

L’attività umana ha contribuito alla scomparsa della megafauna fra 50.000 e 3.000 anni fa con una sua riduzione da 0.02GtC a 0.003GtC.

La caccia alla balena e agli altri mammiferi marini ha ridotto la loro massa di 5 volte (da ≈0.02 Gt C a ≈0.004 Gt C ).

Mentre la massa totale degli animali selvatici marini e terrestri è diminuita di un fattore 6, quella totale dei mammiferi si è accresciuta di 4 volte per merito della biomassa umana e degli animali domestici. (da ≈0.04 Gt C a ≈0.17 Gt C)

L’azione umana ha avuto anche impatto sullo stock di vertebrati, con una riduzione di 0.1GtC nella massa dei pesci, circa il 50% e all’aumento corrispondente di animali addomesticati.

L’impatto non si è limitato agli animali ma ha anche modificato profondamente la quantità di carbonio totale sequestrato dalle piante.

Si stima che la massa delle piante si sia dimezzata (e dunque anche la massa totale si è praticamente dimezzata) per azione dell’uomo. La biomassa totale delle specie coltivate dall’uomo è stimata in 10GtC che costituisce solo il 2% del totale delle altre piante rimanenti.

Una nota finale sul fatto che gli errori della stima sono abbastanza grandi, ma secondo me non intaccano l’utilità di questo lavoro.