Il pallone

Strano ma vero. La febbre dei mondiali di calcio mi ha contagiato. E che febbre! Pensate mi bastano 30 secondi , il tempo del’inno nazionale ( non importa quale) e la febbre si alza procurandomi un irresistibile torpore dal quale nulla mi può svegliare neppure le urla dei tifosi dentro e fuori il televisore: niente.
E comunque, pur obnubilata dalle febbri mondiali, forse proprio per questo, quella palla che rotola e rimbalza sull’erba, mi riporta alla mente una simpatico allotropo del carbonio ( eh! No! Né diamante, né grafite!), che diede inizio (calcio d’inizio?) all’era delle nano scienze e delle nanotecnologie.

Fonte immagine: spin.fh-bielefeld.de

La caratteristica più evidente di C60 è la simmetria davvero alta. Su questa molecola si possono fare ben 120 operazioni di simmetria come la rotazione attorno ad un asse, o la riflessione in un piano che lasciano la molecola identica a sé stessa. Per questo il C60 ha fra le molecole il primato di molecola più simmetrica

In base al teorema di Eulero si può dimostrare che una superficie sferica interamente costruita di pentagoni ed esagoni deve avere esattamente 12 pentagoni. In funzione del numero di esagoni , si possono poi ottenere molecole di diverse dimensioni. Queste molecole dalla

http://www2.fkf.mpg.de/andersen/fullerene/fuller.html#top

struttura così particolare furono chiamate Fullereni, in onore dell’ architetto americano Richard Buckminster Fuller.
Fuller, qui mostrato sulla copertina del Time magazine del 10 gennaio 1964, aveva ideato

coperture geodetiche, basate su esagoni e pentagoni. In realtà non fu il primo ad averci pensato: il primo esempio di copertura geodetica fu la quella ideata da Walter Bauersfeld per il planetario Zeiss nel 1922. Fuller , invece, brevettò la sua copertura il 29 giugno 1954. Quindi quest’anno, 2014, oltre ai 60 anni del rock, della televisione in Italia e i miei, si celebrano anche quelli della copertura geodetica di Fuller.

Fonte immagine: lifeboat.com

La simmetria tipica della molecola di fullerene ha affascinato scienziati e artisti di tutti i tempi a partire da Archimede (L’icosaedro tronco è un solido di Archimede) anche se non sono arrivati fino a noi disegni che lo dimostrino.
L’ immagine più antica di questa forma è quella conservata nella Biblioteca Vaticana. È in un libro del grande pittore (uno dei miei preferiti) e matematico Piero della Francesca ed è datata 1480.
Quanto al nome, fu addirittura Keplero a coniare

http://www2.fkf.mpg.de/andersen/fullerene/vatican.html#Francesca

quello di icosaedro tronco

http://www2.fkf.mpg.de/andersen/fullerene/vatican.html#cathedral

Un esempio di come si forma un icosaedro tronco è mostrato in questa immagine che proviene da una cattedrale italiana ( la fonte non dice quale!). Osservando la figura , in alto si può vedere l’icosaedro. E’ composto da 20triangoli equilateri e in ognuno dei 12 vertici si incontrano cinque triangoli. Tagliando questi vertici (troncandoli) si ottengono delle facce pentagonali. Inoltre, questa operazione trasforma ognuna delle 20 forme triangolari in un esagono. Ed ecco l’icosaedro tronco mostrato in basso nella figura. Questa è proprio la forma della molecola C60.

Il C60 fu scoperto da Harold Kroto, James Heath, Sean O’Brien, Robert Curl, e Richard Smalley nel 1985 (Nature 318, 162). In realtà il gruppo di ricerca stava cercando di interpretare gli spettri di assorbimento della povere interstellare che facevano sospettare la presenza di lunghe catene di carbonio.
“E pensare che la questione era di tipo astrofisico: cosa c’è nelle immense praterie dello spazio interstellare? Non c’è proprio nulla? A giudicare dalla radiazione che proviene da quei luoghi remoti qualche cosa ci deve essere, forse piccoli aggregati di carbonio, dicevano gli astrofisici. E allora perché non provare a riprodurli e a studiarli sulla Terra?”

Purtroppo non arrivarono a capo del problema ma certo la ricerca non fu un completo insuccesso visto che la scoperta del fullerene creò un tale fermento nel mondo scientifico da far vincere il Nobel nel 1996 a Curl, Kroto, and Smalley
All’inizo si riusciva a produrre poco C60 e così gli esperimenti andavano a rilento. La cosa cambiò radicalmente nel 1990 quando Wolfgang Krätschmer, Lowell Lamb, Konstantinos Fostiropoulos, e Donald Huffman scoprirono come produrre grosse quantità di C60. Questo fu l’inizio di un periodo di intense ricerche. Oggi è relativamente semplice produrre C60 e se proprio non lo si vuole fare in casa (meglio in laboratorio) lo si può acquistare.
La scoperta del C60 diede nuovo impulso alla ricerca chimica al punto che nacque una nuova branca di questa scienza chiamata chimica del fullerene, che studia le nuove famiglie di molecole basate sul C60. Dal 1997 ne sono stati trovate 9000.

Le molecole di C60 condensano per formare un solido cristallino, che è una nuova forma di carbonio come il diamante e la grafite ed è chiamato fullerite. Con una differenza sostanziale però: diamante e grafite hanno simmetrie cristalline teoricamente illimitate; il C60 no, la sua struttura è simmetrica e limitata, come uno strano tessuto dove trama e ordito sono chiusi su se stessi, o, come direbbero i chimici, dove tutti i legami sono saturati.
Molte sono le ricerche che hanno come protagonista la fase solida C60: interessanti gli studi sui i suoi composti con i metalli alcalini (in particolare potassio e rubidio) che hanno rivelato ottime proprietà di superconduttori, ovvero conducono corrente senza opporre resistenza, a temperature più alte rispetto ad altri materiali.
Le potenzialità del fullerene emersero immediatamente e la necessità di finanziare ricerche per approfondire le sue caratteristiche divenne in breve argomento di discussione anche nelle sedi politiche.
In questo link è riportata una seduta della Camera dei Lord inglese, in cui si è discusso di fullerene: è interessante, non perdetevela.

Ma perché tutto questo interesse? Che cosa c’era di speciale in questa molecola? Questa frase di Emanuele Barborini ( Museo della Scienza e della tecnica) mi sembra particolarmente illuminante:

“Con la scoperta del C60, la natura svelava la capacità della materia di auto-assemblarsi in forme nuove, in oggetti a metà strada fra il mondo degli atomi e il mondo macroscopico, fra il mondo dei fenomeni bizzarri descritti dalla meccanica quantistica e il mondo più familiare della fisica classica e delle sue leggi, che utilizziamo per costruire ponti, aerei, e motori. Un mondo a metà strada, arricchito dalle peculiarità dell’uno e dell’altro, dove gli oggetti hanno le dimensioni del milionesimo di millimetro: il nanomondo. Da allora scienziati e tecnici si sono inoltrati come esploratori nel nanomondo, animati dalla convinzione che da lì sarebbero arrivate nuove sorprese e nuove applicazioni tecnologiche. Da allora scienziati e tecnici si sono inoltrati come esploratori nel nanomondo, animati dalla convinzione che da lì sarebbero arrivate nuove sorprese e nuove applicazioni tecnologiche. Fra alti e bassi, la nanotecnologia vive tuttora un’euforia da nuova frontiera, e, in fondo, a venticinque anni ( trenta) ci si affaccia appena all’età adulta…”

E poi vennero i nanotubi, il grafene e chissà che altro. Il diamante però …