Cent'anni di cristalli

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L’Assemblea Generale delle Nazioni Unite ha proclamato il 2014 Anno Internazionale della Cristallografia.
E’ un avvenimento che riconosce il grande contributo di questa disciplina alla comprensione dei fenomeni fondamentali che sono alle base dello studio della materia e dei processi vitali.

Sono trascorsi 100 anni dalla nascita della cristallografia moderna, cominciata con la scoperta di Max Von Laue della diffrazione dei raggi X da parte dei cristalli. I raggi X erano stati scoperti alla fine del XIX° secolo, ma era il 1912 quando Max Von Laue assieme a due suoi giovani assistenti illuminò con raggi X un cristallo di blenda, un minerale costituito da solfuro di zinco, ottenendo una serie di macchie scure su una lastra fotografica. Era la prova che il cristallo deviava i raggi X in fasci secondo direzioni precise. Qualche mese più tardi William Lawrence Bragg, usando uno strumento costruito dal padre William Henry, professore di fisica, replicò l’esperimento usando cristalli di cloruro di sodio dandone un’interpretazione che avrebbe segnato la nascita della strutturistica chimica.
Si capì che i cristalli sono l’opportuno diaframma per provocare la diffrazione dei raggi X e che dalle immagini è possibile risalire al tipo e alla disposizione spaziale degli atomi componenti il materiale. Da allora tanti sono i traguardi raggiunti e ben 29 sono i premi Nobel assegnati a scoperte strettamente collegate alla cristallografia.
Ne ricordiamo alcuni oltre i già citati Laue (1914) e Bragg (1915). Nel 1962 a Kendrew e Perutz per la scoperta della struttura dell’emoglobina e di altre proteine globulari e a Crick, Watson e Wilkins per la struttura a doppia elica del DNA, nel 1964 a Doroty Hodgkin per la struttura della penicillina e della vitamina B12.
Col passare del tempo la cristallografia sviluppò gli strumenti per determinare la struttura di sistemi sempre più complessi.
Alle lampade per la produzione di deboli fasci di raggi X sono oggi affiancati acceleratori di particelle come i sincrotroni e le sorgenti di neutroni. Per una sorta di legge del contrappasso sono macchine gigantesche che ci permettono di studiare la scala delle distanze atomiche. Così nel 2009 Ramakrishnan, Steitz e Yonath sono stati premiati per la struttura del ribosoma, nel 2012 Lefkowitz e Kobilka videro riconosciuti gli sforzi per la determinazione della struttura e funzione dei recettori di proteine G transmenbrana.

 

Fig. 1 da sinistra, modelli strutturali di: vitamina B12, una proteina GPCR, un ribosoma.

Anche Giulio Natta, Nobel per la chimica assieme a Ziegler nel 1963, fondò gran parte dei suoi studi utilizzando tecniche cristallografiche. Ricerche che permisero di produrre materiali plastici con forme e proprietà nuove, portando l’Italia e la sua industria chimica fino ai vertici mondiali. Tutti i paesi, compresi gli Stati Uniti, guardavano all’Italia per le sue tecnologie avanzate, e la cristallografia contribuì non poco al boom economico italiano degli anni '60.
La possibilità di concretizzare anche le strutture più complesse con modelli tridimensionali ha permesso di “entrare in intimità” con atomi e molecole, “vederle” come singoli elementi e come si organizzano nell’impalcatura cristallina. Oggi non vi è area della fisica, chimica, biologia, medicina, mineralogia, scienza dei materiali che non sia toccata dalla cristallografia. Le proprietà possedute dai materiali sono dovuti non solo alla loro costituzione chimica, ma anche alla loro struttura, ovvero al modo con cui i loro componenti, atomi o molecole, sono disposti nello spazio.
Qualche esempio: - il diamante è molto duro, ma la grafite è molto tenera; entrambi sono costituiti da atomi di carbonio, ma nel diamante sono legati in una struttura tridimensionale estremamente rigida, mentre nella grafite sono organizzati in strati che possono facilmente scorrere gli uni sugli altri. - la bontà dei cioccolatini che mangiamo, la velocità di entrata in circolo di un farmaco in compressa e il potere coprente di una vernice dipendono dalla fase cristallina rispettivamente del burro di cacao, del principio attivo e del pigmento. Tutti i nuovi materiali, sia per le applicazioni più innovative come per quelle più delicate sono progettati sulla base delle conoscenze acquisite dalla struttura di quelli conosciuti. Ad esempio lo studio della relazione struttura-proprietà di materiali naturali come l’osso o il legno induce a ricercare materiali compositi biomimetici, ovvero che riproducano gli elementi strutturali e le proprietà biomeccaniche dei materiali naturali.
La comprensione della struttura di una proteina è il punto di partenza per studiare la correlazione esistente tra forma e funzione di queste molecole e permette di individuare inibitori, attivatori, nuovi farmaci. La cristallografia ha permesso di arrivare a un tale dettaglio di indagine da costituire una base indispensabile per la conoscenza del funzionamento e della progettazione delle macchine molecolari ovvero di sistemi molecolari che svolgono funzioni complesse.

 

 

Fig. 2 da sinistra, modelli strutturali di: il virus del Paramecio Bursaria Chlorella e dell’ATP-sintasi, una meravigliosa macchina molecolare.

Quest’anno, in tutto il mondo, ci saranno celebrazioni e manifestazioni per far conoscere meglio la cristallografia. In Italia sono già in programma eventi scientifici a carattere nazionale e locale nonché iniziative didattiche e divulgative tra cui la pubblicazione di un libro gratuito per studenti e insegnanti. L’Associazione Italiana di Cristallografia ha raccolto eventi e materiale nel sito.
Oltre alle mostre attualmente in corso a Parma, Reggio Emilia e Padova, un prossimo evento di grande richiamo è la conferenza di Luca Bindi a Firenze il 13 febbraio sulla scoperta di quasicristalli di origine extraterrestre. 

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