Il nome Scrittore Computazionale deriva dalle mie due principali attività: Chimica Computazionale e Scrittura. L’idea è scrivere di entrambe nello stesso blog. Un po’ strampalata come idea, un po’ ambiziosa, forse. Eppure, molti chimici sono stati scrittori importanti, il nostro Primo Levi fra tutti.
Allora ci proviamo?
Nelle prossime settimane scriverò di Chimica Computazionale e racconterò alcuni degli articoli più interessanti che ho scovato negli ultimi mesi di ricerca scientifica. Sceglierò quelli con belle immagini e poche equazioni.
Prometto: Nessuno si farà male.
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Le bolle magiche al computer
Quando mi chiedono cos’è la chimica computazionale, rispondo aggirando l’ostacolo. Dico: un chimico computazionale è un chimico che gioca al computer. Di solito il mio interlocutore sgrana gli occhi. Voglio dire, già la parola chimico evoca qualcosa di misterioso: le bolle magiche e le soluzioni blu, la vetreria antica e i vapori puzzolenti. A chimica segue la seconda parola, computazionale, che aggiunge mistero al mistero.
La domanda è: davvero si possono ricreare le bolle magiche, le soluzioni blu, e i vapori puzzolenti con il computer? Beh, in qualche modo, e con un po’ di fantasia, si può fare.
La Chimica Computazionale ti salva la vita
Già al primo anno di università, il programma di studi di chimica prevedeva diversi corsi di laboratorio. Sintesi, misure, esperimenti, e le famose bolle, i colori e gli odori. Avevo 18 anni, leggevo il Sistema Periodico e pesavo dieci chili di meno.
Nonostante giocare con soluzioni e soluti mi affascinasse, temevo di non essere tagliato per la vita da laboratorio: alla fine di ogni esperimento, i colleghi si ritrovavano con una soluzione gialla e fumante, la mia era marrone e calma come il mare d’agosto; i colleghi trovavano dell’Alluminio nel loro campione, le mie analisi indicavano Ferro; i colleghi ottenevano una resa di reazione del 72%, io a malapena arrivavo al 15%. Un disastro.
Forse suggestionato dal racconto sul potassio di Primo Levi, cominciavo ad avere la chiara sensazione di essere diventato un pericolo per l’incolumità degli studenti e dei professori. Ehm, era più di una sensazione: in Italia avevo quasi allagato un laboratorio, in Spagna avevo dato fuoco al bancone mentre mettevo a riscaldare una soluzione, in un’altra occasione, avevo schizzato inavvertitamente dell’acido sulle braccia di un collega.
Dopo i due piccoli incidenti, il mio tutore spagnolo mi disse: Arturo, sei uno studente molto sveglio e volenteroso, ma sei un disastro in laboratorio. Hai pensato a passare alla chimica computazionale?
Cos’è la Chimica Computazionale?
La Chimica Computazionale è un ramo della chimica che impiega software basati su leggi ed equazioni della chimica teorica e sfrutta la potenza di calcolo dei supercomputer per simulare reazioni chimiche e predire/riprodurre proprietà molecolari.
Il bisogno di computer e supercomputer (Fermi, al nostro CINECA, è uno dei più potenti al mondo) nasce dall’impossibilità di poter risolvere facilmente ed esattamente le equazioni che descrivono i sistemi molecolari. Per usare le parole del fisico Paul Dirac:
The underlying physical laws necessary for the mathematical theory of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known, and the difficulty is only that the application of these laws leads to equations much too complicated to be soluble.
I calcoli più accurati sono quelli detti ab initio, che, usando le leggi della meccanica quantistica e in particolare l’equazione di Schrödinger, forniscono informazioni sul sistema chimico “da zero”, senza cioè impiegare parametri determinati da misure sperimentali. Più i calcoli sono accurati, più diventano costosi in termini di tempo (alcuni possono durare anche mesi), più il sistema molecolare a cui possono essere applicati diventa piccolo, in casi estremi, pochi atomi.
Altri metodi, basati sulla fisica classica (le leggi di Newton, per esempio) trascurano completamente l’esistenza di elettroni e sono perciò molto più leggeri computazionalmente e possono essere applicati a sistemi molecolari incredibilmente realistici. La Dinamica Molecolare, per esempio, permette lo studio della dinamica di sistemi molecolari di rilevanza biologica come acidi nucleici (frammenti di DNA e RNA) o proteine. In alcuni casi, si è arrivati a simulare sistemi costituiti da centinaia di migliaia di atomi, come proteine di membrana (qui un video) e virus (qui un video).
Il ventaglio di applicazioni della Chimica Computazionale è quindi ampio. Alcune delle cose che si possono fare con equazioni, chimica e computer sono:
. descrivere la struttura e la dinamica di biomolecole
. identificare la correlazione tra struttura e proprietà molecolari
. predire/descrivere interazioni molecolari
. supportare il design di nuove molecole con proprietà specifiche
Dai primi calcoli fatti con computer grandi come stanze, sono ormai trascorsi decenni. La Chimica Computazionale è una realtà solida, su cui gli esperimenti si basano, e da cui gli esperimenti traggono ispirazione. E’ matematica, fisica e tanti algoritmi. Eppure, nonostante siano passati una decina di anni da quando nel 2003 cominciavo il mio dottorato in chimica computazionale, continuo a credere che ci sia del magico nell’accendere un computer collegato a una rete di processori, e, nella sua lingua, chiedergli “come sarà l’interazione tra molecola A e proteina B” e ricevere una risposta. A volte oscura come il parere di un oracolo, a volte dettagliata come un reportage giornalistico.
[spacer size="20"]Cosa pensi della chimica fatta al computer? Che pensi dell’idea di scrivere di chimica e scrittura nello stesso blog?
Se ti va, condividi la tua opinione nei commenti.
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L’immagine del post è una rappresentazione della densità elettronica di due atomi di rubidio. La chimica computazionale si occupa spesso di sistemi con centinaia di migliaia di atomi, ma come descrive questo articolo pubblicato su Nature, a volte i sistemi più semplici nascondono ancora tante sorprese.
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