Intervista al teorico del ghiaccio nero.

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a cura di Claudio Della Volpe

Qualche giorno fa abbiamo pubblicato un post riguardante la conferma sperimentale dell’esistenza del cosiddetto ghiaccio superionico, ottenuta in laboratorio da un gruppo italo francese .

L’ipotesi di esistenza di questo materiale, nero, conduttore e caldissimo, che potrebbe essere la forma più comune dell’ acqua nel sistema solare e forse nell’Universo è stata formulata oltre trent’anni fa da un chimico italiano, Pierfranco Demontis, oggi all’Università di Sassari. Laurea in Chimica, Università di Sassari, 16 Marzo 1979. Oggi professore ordinario di Chimica Fisica. Si occupa di chimica teorica, automi cellulari, simulazioni numeriche su liquidi e solidi con applicazioni alla scienza dei materiali, ed in particolare materiali microporosi (zeoliti).

Ci ha colpito il fatto che questa ipotesi, fatta tanti anni fa usando la potenza di calcolo di allora e le conoscenze teoriche di allora, abbia necessitato tanti anni per essere confermata; che in effetti il lavoro originale di Demontis et al.( New high-pressure phases of ice. Phys. Rev. Lett. 60, 2284–2287 (1988).) sia stato citato relativamente poche volte in letteratura e che invece la conferma sperimentale abbia avuto uno spazio enorme sui siti e sui giornali; ed infine che quasi nessuno abbia ricordato chi ha fatto l’ipotesi e soprattutto cosa pensa, chi l’ipotesi aveva fatto, di questa conferma sperimentale che apre una quantità enorme di speculazioni sulla costituzione dei pianeti giganti, sulla loro struttura sui dettagli del loro campo magnetico, insomma c’è da lavorare per anni.

C’è anche l’aspetto della capacità previsionale sui materiali, sembra che si possa prevedere tutto teoricamente. Ma è così?

Infine gli italiani ci fanno un figurone; la teoria e la pratica di laboratorio dei nostri scienziati, le nostre collaborazioni internazionali sembrano al top in entrambi i casi, una tradizione che rivoluziona l’ipotesi che spesso fanno i giornali che l’Italia sia la cenerentola della ricerca; manco per idea.Abbiamo dunque deciso di intervistare Pierfranco Demontis che ha cortesemente acconsentito.

D. Prof. Demontis oggi operi in una Università che si sente nominare poco, in una regione fra le più difficili d’Italia, che va alla ribalta quasi solo per cose negative; mentre oltre alle bellezze naturali ha evidentemente una tradizione culturale di tutto rispetto; parlaci di te e della tua carriera; di cosa ti occupi oggi? hai studiato in Sardegna, hai avuto esperienze all’estero ma poi sei tornato. Perché? Come mai non sei un “cervello in fuga”?

R. Sono nato in Sardegna, a Sassari, dove ho completato i miei studi laureandomi in chimica nel 1979. Dopo avere passato quattro anni come assistente volontario (cioè senza borsa) nel gruppo del Prof. Aldo Gamba, nel 1983 ho vinto un concorso per Ricercatore Universitario, ruolo allora istituito di recente con la legge 382 del 1980. Nel 1987 fui invitato a trascorrere un anno sabbatico all’Università della Pennsylvania nel gruppo di Mike Klein. Il progetto che avevamo discusso riguardava lo studio delle proprietà di trasporto di carica dei conduttori superionici, e il loro comportamento quando sottoposti ad altissime pressioni. Cominciai sviluppando i codici di calcolo per simulare alcuni di questi materiali per poi trasferirli sul nostro vero obiettivo: lo studio dell’acqua, il cui diagramma di fase era oggetto di speculazioni teoriche e d’indagini sperimentali. Il risultato fu sorprendente: era possibile immaginare una nuova fase del ghiaccio con proprietà da conduttore superionico. Spedimmo il lavoro, fatto in collaborazione con Mike e Richard LeSar, che all’epoca lavorava nei laboratori di Los Alamos, nel dicembre del 1987 e fu accettato e pubblicato su Physical Review Letters nel maggio del 1988, dopo un attento esame da parte dei “referees”. Nel corso degli anni, sull’argomento, sono state fatte altre simulazioni con metodi sempre più sofisticati e sempre con l’obiettivo di spiegare il comportamento dell’acqua sottoposta ad altissime pressioni. Trent’anni dopo, il 14 Febbraio 2018, ho avuto da Mike la notizia che la nostra previsione era stata verificata sperimentalmente e che i risultati sarebbero stati pubblicati su Nature Physics. Ho incontrato Mike a Febbraio di quest’anno a Bangalore (India) ad un congresso e abbiamo parlato di quegli anni, dove con mezzi all’epoca all’avanguardia, oggi relativamente modesti, fummo capaci di fare una previsione così inaspettata.

Rientrato in Italia nel 1988 continuai ad occuparmi principalmente di simulazioni di proprietà strutturali e dinamiche di molecole adsorbite in materiali microporosi, . Nel corso degli anni abbiamo cercato di affrontare problemi metodologici finalizzati all’integrazione di diverse tecniche di simulazione al calcolatore per studiare le interazioni e il comportamento diffusivo delle specie molecolari assorbite all’interno di materiali microporosi ad alta tecnologia, inserite in un contesto teorico-computazionale multi-scala.

Questa è in breve la mia storia scientifica. Sono tornato in Italia, e pur avendo la possibilità di restare, per ragioni familiari ho preferito rientrare. D’altra parte avevo già una posizione permanente, quindi non mi considero un “cervello in fuga” sebbene debba riconoscere che all’estero, e in particolare negli Stati Uniti vi siano molte più risorse e opportunità che in Italia.

D. Trent’anni fa eri al Dipartimento di Chimica all’Università di Pennsylvania e collaboravi con figure di prestigio; quale era all’epoca il ruolo del calcolo e della relativa conferma sperimentale, come arrivaste a formulare l’ipotesi del ghiaccio superionico? E come si è evoluta da allora la previsione teorica sulle proprietà dei materiali?

R. All’epoca, come oggi, la comunità dei simulatori crede che una simulazione ben fatta o esperimento “in silico”, dove le relazioni (leggi fisiche) tra gli oggetti (nel nostro caso atomi e molecole) che lo compongono siano trasformate in algoritmi di calcolo, abbia la capacità di avvicinarsi a prevederne le proprietà ed eventualmente la dinamica spazio-temporale. Tutto questo sarà verificato con le misure sperimentali disponibili o da realizzarsi, come nel caso del ghiaccio superionico. La moderna scienza dei materiali oggi fa largo uso di simulazioni inserite in un contesto teorico-computazionale, multi-scala; ossia, poiché i materiali d’interesse saranno da utilizzarsi in processi su scala macroscopica, ovvero la scala degli oggetti visibili, ed essendo però la loro relativa efficienza determinata dalle loro caratteristiche microscopiche, ovvero la scala delle proprietà atomiche, tutti i sistemi oggetto d’indagine passano attraverso una sequenza di fasi di studio diversificate nelle relative scale di spazio e tempo e nel grado di dettaglio appropriato per ciascuna scala. Più specificatamente, la sequenza delle simulazioni è caratterizzata da un’estensione delle scale di spazio e tempo crescente e nel contempo da un livello di dettaglio, nella rappresentazione digitale, necessariamente decrescente. Grazie alla continua evoluzione dei calcolatori elettronici e al continuo aumentare delle loro prestazioni, le tecniche di simulazione numerica rappresentano oggi una valida alternativa a basso costo rispetto alle procedure di sintesi e analisi in laboratorio per la progettazione e lo studio di materiali ad alta tecnologia altamente specifici e dei processi chimico-fisici che, al loro interno, coinvolgano una o più specie molecolari. In generale il protocollo per l’indagine di un sistema fisico comincia con la simulazione a principi primi (laddove la materia è descritta dalla meccanica quantistica, utilizzando le tecniche proprie della chimica quantistica) di piccole porzioni dello stesso. I risultati ottenuti sono quindi elaborati e il grado di dettaglio nella rappresentazione è ridotto allo scopo di ottenere i parametri adatti a descrivere, stavolta secondo le leggi della meccanica classica, porzioni molto più ampie di sistema seppur mantenendo un grado di accuratezza elevato; tale parametrizzazione sarà impiegata in simulazioni di Dinamica Molecolare classica (Molecular Dynamics, MD), in cui il sistema è rappresentato su scala microscopica nella sua evoluzione temporale, e di Monte Carlo (MC) classico, in cui le proprietà statiche del sistema vengono determinate attraverso metodi probabilistici basati sui principi della meccanica statistica. L’indagine si sposta poi dalla scala microscopica a quella mesoscopica, ovvero intermedia tra quella macroscopica e quella microscopica, compresa in genere tra i 5 e 100 nanometri: il sistema simulato attraverso metodi classici è partizionato in porzioni ampie, e le mutue interazioni tra porzioni diverse sono analizzate e riprodotte attraverso simulazioni ad hoc basate su algoritmi semplificati ad altissima efficienza come gli Automi Cellulari (Cellular Automata, CA), il Monte Carlo Cinetico (Kinetic Monte Carlo, KMC) e le Reti Neurali (Neural Networks, NN). Il comportamento su scala mesoscopica delle proprietà d’interesse sarà poi fatto confluire all’interno di equazioni di stato appositamente concepite che permetteranno il definitivo passaggio alla scala macroscopica, quella per cui è previsto il reale utilizzo dei materiali.

D. All’epoca concludevate:

Se potessi rifare quel lavoro oggi lo rifaresti diversamente?

R. Oggi è possibile studiare il sistema con mezzi teorici molto più sofisticati, in particolare gli effetti quantistici possono essere trattati in modo assai più accurato. Direi però che manterrei inizialmente il nostro approccio semplificato per poi passare a metodi più precisi. Una consuetudine quando si comincia ad affrontare un problema nuovo.

D. Conosci i colleghi che hanno confermato la tua ipotesi? In che rapporti è oggi il teorico con il lavoro di laboratorio? Secondo te si può dedurre che con gli strumenti attuali la previsione teorica può effettivamente costituire una sorta di strumento progettuale per i materiali o credi invece che l’esperimento abbia la prevalenza sempre e comunque? Fra l’altro vediamo che ti occupi anche di materia oscura; quale è la situazione al momento su questo tema?

R. Non conosco i colleghi che hanno confermato l’esistenza del ghiaccio superionico. Le simulazioni a volte precedono e a volte inseguono il risultato sperimentale per arricchirlo con proprietà non immediatamente misurabili. C’è comunque una stretta interazione.

Partecipo al progetto DarkSide come chimico computazionale con l’idea di progettare materiali più efficienti per la separazione delle miscele isotopiche. Non sono un fisico delle particelle elementari e quindi non saprei entrare nel dettaglio della situazione attuale della ricerca in questo campo.

D. Ho una curiosità personale; vedo che nelle immagini degli interni planetari il ghiaccio superionico viene rappresentato nero anche se in effetti si tratta di un materiale che si trova ad alta temperatura; è corretta una rappresentazione del genere? E più in dettaglio cosa pensi del modo in cui le riviste divulgative hanno riportato l’argomento?

R. A mio parere l’interesse su questo argomento di “nicchia” è dovuto al fatto che questa forma del ghiaccio potrebbe essere la più comune nel nostro sistema solare e forse nell’universo. Le proprietà magnetiche di Nettuno e Urano e degli esopianeti sono meno comprensibili al grande pubblico mentre invece l’esistenza di un ghiaccio nero e caldo fa “notizia”.

D. Cosa consigli ai giovani brillanti; fuga o ritorno? La situazione della ricerca italiana come è vista da Sassari? E quali prospettive vedi per il settore della Chimica Fisica oggi, specie nel contesto così vicino e quasi sovrapposto alla Fisica di cui ti occupi?

R. Diverse ragioni spingono un giovane brillante a partire, anzitutto credo il desiderio di imparare in un ambiente diverso e confrontarsi con altri giovani che hanno maturato esperienze diverse. Rientrare in Italia purtroppo non è facile. La nostra struttura accademica è molto “conservativa”, con poche opportunità e poche risorse, è spesso chi ha trovato una posizione permanente all’estero preferisce tornare in Italia in vacanza. L’interazione tra Fisica e Chimica Fisica è fortissima, le collaborazioni sono numerose e molti dei nostri chimico fisici provengono dal mondo della fisica.

D. Un tuo famoso conterraneo, Antonio Gramsci parlando di scienza denunciava la superficialità anche di parte dell’accademia del suo tempo la cosiddetta “superficiale infatuazione per la scienza”, come anche la necessità di una socialità della scienza contrapposta alla semplice universalità della medesima; tu cosa ne pensi? La scienza di oggi è abbastanza socializzata?

R. Sono d’accordo con Gramsci. L’idea che ciò che viene definito scientifico è “vero” è molto radicata anche tra gli scienziati, come anche l’idea che la scienza possa risolvere qualunque problema. In realtà società molto evolute scientificamente e tecnologicamente non hanno risolto forti disparità interne di accesso alle risorse economiche e culturali e a livello globale nel mondo ancora milioni di persone soffrono per denutrizione e malattie facilmente curabili.